Affinage par ultrasons des métaux en fusion

  • ultrasons de puissance dans des métaux fondus et des alliages montre divers effets bénéfiques tels que la structuration, dégazage et filtration améliorée.
  • Les ultrasons favorisent la solidification non dendritique des métaux liquides et semi-solides.
  • Sonication a des avantages significatifs sur le raffinement des microstructures des grains dendritiques et les particules intermétalliques primaires.
  • Par ailleurs, les ultrasons de puissance peut être utilisé à dessein pour réduire la porosité du métal ou pour produire des structures de méso-poreux.
  • Last but not least, les ultrasons de puissance améliore la qualité des pièces moulées.

Solidification par ultrasons des métaux en fusion

La formation de structures non dendritiques lors de la solidification du métal fondu influence les propriétés du matériau telles que la résistance, la ductilité, la ténacité et / ou la dureté.
la nucléation des grains modifiés par ultrasons: La cavitation acoustique et ses forces de cisaillement intenses augmentent les sites de nucléation et le nombre de noyaux dans la matière fondue. Le traitement ultrasonique des matières fondues entraîne une nucléation hétérogène et la fragmentation des dendrites, de sorte que le produit final présente un raffinement des grains nettement plus élevé.
cavitation ultrasonique provoque le même mouillage des impuretés non métalliques dans la masse fondue. Ces impuretés sont transformées en sites de nucléation, qui sont les points de départ de solidification. Parce que ces points de nucléation sont en avance sur le front de solidification, la croissance des structures dendritiques ne se produit pas.

Les ultrasons intenses améliorent la structure des grains dans les métaux fondus et contribuent ainsi à satisfaire aux normes de qualité pour le moulage sous pression.

Macrostructure d'un alliage de Ti après un traitement aux ultrasons. Le traitement aux ultrasons permet d'affiner considérablement la structure du grain.

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La nanostructuration par ultrasons des métaux et des zéolites est une technique très efficace pour produire des catalyseurs de haute performance.

Le Dr Andreeva-Bäumler, de l'université de Bayreuth, travaille sur la nano-structuration des métaux à l'aide de l'appareil à ultrasons UIP1000hdT.

Effets des ultrasons sur la dureté Vickers des alliages : Les ultrasons améliorent la microdureté Vickers des métaux.

Effets des ultrasons sur la dureté Vickers des alliages : Les ultrasons améliorent la microdureté Vickers des métaux.
(étude et graphique : ©Ruirun et al., 2017)

 
fragmentation Dendrite: La fonte des dendrites commence généralement à la racine en raison de l'augmentation locale de la température et de la ségrégation. La sonication génère une forte convection (transfert de chaleur par le mouvement de masse d'un fluide) et des ondes de choc dans la matière fondue, ce qui entraîne la fragmentation des dendrites. La convection peut favoriser la fragmentation des dendrites en raison des températures locales extrêmes ainsi que des variations de composition et favorise la diffusion des solutés. Les ondes de choc de la cavitation favorisent la rupture de ces racines de fusion.

Ultrasons Dégazage des alliages métalliques

Le dégazage est un autre effet important de la puissance des ultrasons sur des métaux liquides et semi-solides et des alliages. La cavitation acoustique crée alternatif à basse pression / cycles à haute pression. Au cours des cycles de basse pression, de minuscules bulles de vide se produisent dans le liquide ou la suspension. Ces bulles de vide agissent comme des noyaux pour la formation de bulles d'hydrogène et de vapeur. En raison de la formation de grandes bulles d'hydrogène, les bulles de gaz montent. écoulement acoustique et le streaming aider le flottant de ces bulles à la surface et à l'extérieur de la masse fondue, de sorte que le gaz peut être retiré et la concentration de gaz dans la masse fondue est réduite.
dégazage par ultrasons permet de réduire la porosité du métal réalisant ainsi une densité de matière plus élevée dans le produit métal / alliage final.
Ultrasons dégazage des alliages d'aluminium augmenter la résistance à la traction et la ductilité du matériau. systèmes à ultrasons de puissance industrielle comptent comme le meilleur parmi d'autres méthodes de dégazage commerciales concernant l'efficacité et le temps de traitement. En outre, le processus de remplissage du moule est améliorée en raison de la viscosité plus faible de la masse fondue.
 

Les ultrasons améliorent la résistance à la compression des métaux fondus et donc la qualité du métal de manière significative.

Propriétés de compression du Ti44Al6Nb1Cr2V sous différents temps de sonication. La sonication améliore considérablement la résistance à la compression.
(étude et graphique : ©Ruirun et al., 2017)

La sonotrode en céramique BS4D22L3C est une sonotrode spéciale adaptée à la sonication de liquides à haute température tels que l'aluminium en fusion (par exemple pour le mélange et le dégazage). Fabriquée par Hielscher Ultrasonics

La sonotrode en céramique BS4D22L3C est une sonotrode spéciale adaptée à la sonication de liquides à haute température tels que l'aluminium en fusion (par exemple pour le mélange et le dégazage).

Sonocapillary effet lors de la filtration

L'effet capillaire ultrasonique dans les métaux liquides est l'effet moteur qui permet d'éliminer les inclusions d'oxyde lors de la filtration assistée par ultrasons des matières fondues. (Eskin et al. 2014 : 120ff.)
La filtration est utilisée pour éliminer les impuretés non métalliques à partir de la masse fondue. Pendant la filtration, la matière fondue passe à mailles différentes (par exemple de fibres de verre) pour séparer les inclusions indésirables. Plus la taille des mailles, le mieux est le résultat de la filtration.
Dans des conditions ordinaires, la masse fondue ne peut pas passer d'un filtre à deux couches avec une taille de pores très étroite de 0,4-0,4mm. Toutefois, en vertu de filtration assistée par ultrasons le bain de fusion est autorisé à passer les pores de la maille en raison de l'effet sonocapillary. Dans ce cas, les capillaires de filtre conservent même les impuretés non métalliques de 1-10μm. En raison de la pureté accrue de l'alliage, la formation de pores d'hydrogène aux oxydes est évitée, de sorte que la résistance à la fatigue de l'alliage est augmentée.
Eskin et al. (2014:. 120ff) a montré que la filtration par ultrasons permet de purifier l'alliage d'aluminium AA2024, AA7055, AA7075 et en utilisant des filtres de fibres de verre à couches multiples (avec un maximum de 9 couches) avec 0,6×0.6mm pores de maille. Lorsque le processus de filtration à ultrasons est combinée avec l'addition d'inoculants, un affinage des grains est réalisée en même temps.

Renforcement des alliages métalliques par ultrasons

Ultrasons est avéré être très efficace sur la dispersion de particules de nano uniformément dans les boues. Par conséquent, disperseurs à ultrasons sont des équipements les plus courants pour produire des composites renforcés par nano.
Les nanoparticules (par exemple Al2la3/ SiC, nanotubes de carbone) sont utilisés comme matériau de renforcement. Les nanoparticules sont ajoutées à l'alliage fondu et dispersé par ultrasons. La cavitation acoustique et améliore en continu la désagglomération et la mouillabilité des particules, résultant en une résistance à la traction améliorée, la limite d'élasticité et l'allongement.

Dispositif à ultrasons UIP2000hdT (2kW) avec Cascatrode

Equipement ultrasonique pour les applications de véhicules lourds

L'application des ultrasons de puissance dans la métallurgie nécessite des systèmes ultrasoniques robustes et fiables, qui peuvent être installés dans des environnements exigeants. Hielscher Ultrasonics fournit des équipements ultrasoniques de qualité industrielle pour des installations dans des applications lourdes et des environnements difficiles. Tous nos appareils à ultrasons sont conçus pour fonctionner 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Les systèmes ultrasoniques haute puissance de Hielscher sont associés à la robustesse, à la fiabilité et à la précision des commandes.
processus exigeants – tel que le raffinage des masses fondues métalliques – nécessitent la capacité d'une sonication intense. Les processeurs ultrasoniques industriels de Hielscher Ultrasonics fournissent des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles.
Pour la sonication de liquide très élevée et des températures de fusion, Hielscher propose différentes sonotrodes et accessoires personnalisés pour garantir des résultats de traitement optimaux.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators:

lot Volume Débit Appareils recommandés
10 à 2000mL 20 à 400 ml / min UP200Ht, UP400St
0.1 20L 00,2 à 4L / min UIP2000hdT
10 à 100l 2 à 10 L / min UIP4000
n / a. 10 à 100 litres / min UIP16000
n / a. plus grand groupe de UIP16000

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Littérature / Références

  • Eskin, Georgy I.; Eskin, Dmitry G. (2014): Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts. CRC Press,Technology & Engineering 2014.
  • Jia, S.; Xuan, Y.; Nastac, L.; Allison, P.G.; Rushing, T.W: (2016): Microstructure, mechanical properties and fracture behavior of 6061 aluminium alloy-based nanocomposite castings fabricated by ultrasonic processing. International Journal of Cast Metals Research, Vol. 29, Iss. 5: TMS 2015 Annual Meeting and Exhibition 2016. 286-289.
  • Ruirun, C. et al. (2017): Effects of ultrasonic vibration on the microstructure and mechanical properties of high alloying TiAl. Sci. Rep. 7, 2017.
  • Skorb, E.V.; Andreeva, D.V. (2013): Bio-inspired ultrasound assisted construction of synthetic sponges. J. Mater. Chem. A, 2013,1. 7547-7557.
  • Tzanakis,I.; Xu, W.W.; Eskin, D.G.; Lee, P.D.; Kotsovinos, N. (2015): In situ observation and analysis of ultrasonic capillary effect in molten aluminium . Ultrasonic Sonochemistry 27, 2015. 72-80.
  • Wu, W.W:; Tzanakis, I.; Srirangam, P.; Mirihanage, W.U.; Eskin, D.G.; Bodey, A.J.; Lee, P.D. (2015): Synchrotron Quantification of Ultrasound Cavitation and Bubble Dynamics in Al-10Cu Melts.

Qu'il faut savoir

Puissance Ultrason et Cavitation

Lorsque les ondes à ultrasons de haute intensité sont couplés dans des liquides ou des boues, le phénomène de cavitation se produit.
Les ultrasons à haute puissance et basse fréquence provoquent la formation de bulles de cavitation dans les liquides et les boues de manière contrôlée. Les ondes ultrasonores intenses génèrent alternativement des cycles basse pression / haute pression dans le liquide. Ces changements rapides de pression génèrent des vides, les bulles dites de cavitation. Les bulles de cavitation induites par ultrasons peuvent être considérées comme des microréacteurs chimiques fournissant des températures et des pressions élevées à l'échelle microscopique, où la formation d'espèces actives telles que des radicaux libres à partir de molécules dissoutes se produit. Dans le contexte de la chimie des matériaux, la cavitation ultrasonique a le potentiel unique de catalyser localement des réactions à haute température (jusqu'à 5000 K) et à haute pression (500atm), tandis que le système reste macroscopiquement proche de la température ambiante et de la pression ambiante. (cf Skorb, Andreeva 2013)
Les traitements par ultrasons sont principalement basés sur les effets de cavitation. En métallurgie, la sonication est une technique très avantageuse pour améliorer le moulage des métaux et des alliages.
Outre le traitement des métaux fondus, la sonication est également utilisée pour créer des nanostructures et des nanomodèles en forme d'éponge sur des surfaces métalliques solides telles que le titane et les alliages. Ces pièces en titane et en alliage nanostructurées par ultrasons montrent une grande capacité à servir d'implants avec une prolifération accrue des cellules ostéogéniques. En savoir plus sur la nano-structuration ultrasonique des implants en titane !

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