Affinage par ultrasons des métaux en fusion

• Les ultrasons de puissance dans les métaux et alliages en fusion ont divers effets bénéfiques, tels que la structuration, le dégazage et l'amélioration de la filtration.
• Les ultrasons favorisent la solidification non dendritique des métaux liquides et semi-solides.
• La sonication a des effets bénéfiques significatifs sur l'affinement microstructural des grains dendritiques et des particules intermétalliques primaires.
• En outre, les ultrasons de puissance peuvent être utilisés à dessein pour réduire la porosité du métal ou pour produire des structures mésoporeuses.
• Enfin, les ultrasons de puissance améliorent la qualité des pièces moulées.

Solidification par ultrasons des métaux en fusion

La formation de structures non dendritiques pendant la solidification des métaux fondus influence les propriétés des matériaux telles que la résistance, la ductilité, la ténacité et/ou la dureté.
Nucléation des grains modifiée par les 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.
La cavitation ultrasonique provoque le mouillage uniforme des impuretés non métalliques dans la matière fondue. Ces impuretés se transforment en sites de nucléation, qui sont les points de départ de la solidification. Comme ces points de nucléation se trouvent en amont du front de solidification, la croissance des structures dendritiques ne se produit pas.

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

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 des dendrites : 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.

Dégazage par ultrasons des alliages métalliques

Le dégazage est un autre effet important des ultrasons de puissance sur les métaux et alliages liquides et semi-solides. La cavitation acoustique crée des cycles alternatifs de basse pression et de haute pression. Pendant les cycles de basse pression, de minuscules bulles de vide se forment 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 plus grosses bulles d'hydrogène, les bulles de gaz s'élèvent. Le flux acoustique et l'écoulement assistent le flottement de ces bulles vers la surface et hors de la matière fondue, ce qui permet d'éliminer le gaz et de réduire la concentration de gaz dans la matière fondue.
Le dégazage par ultrasons réduit la porosité du métal, ce qui permet d'obtenir une densité de matériau plus élevée dans le produit final (métal ou alliage).
Le dégazage par ultrasons des alliages d'aluminium augmente la résistance à la traction et la ductilité du matériau. Les systèmes industriels à ultrasons sont les meilleurs parmi les autres méthodes commerciales de dégazage en termes d'efficacité et de temps de traitement. En outre, le processus de remplissage des moules est amélioré grâce à la réduction de la viscosité de la matière fondue.
 

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)

Effet sonocapillaire 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 de la matière fondue. Au cours de la filtration, la matière fondue passe à travers différentes mailles (par exemple, des fibres de verre) pour séparer les inclusions indésirables. Plus la taille des mailles est petite, meilleur est le résultat de la filtration.
Dans des conditions normales, la matière fondue ne peut pas passer un filtre à deux couches dont la taille des pores est très étroite (0,4-0,4 mm). Cependant, dans le cadre d'une filtration assistée par ultrasons, la matière fondue peut passer les pores de la maille grâce à l'effet sonocapillaire. Dans ce cas, les capillaires du filtre retiennent même les impuretés non métalliques de 1-10μm. Grâce à la pureté accrue de l'alliage, la formation de pores d'hydrogène au niveau des oxydes est évitée, ce qui augmente la résistance à la fatigue de l'alliage.
Eskin et al. (2014 : 120ff.) a montré que la filtration ultrasonique permet de purifier les alliages d'aluminium AA2024, AA7055 et AA7075 en utilisant des filtres en fibre de verre multicouches (jusqu'à 9 couches) avec 0,6×0Les pores ont une maille de 0,6 mm. Lorsque le processus de filtration par ultrasons est combiné à l'ajout d'inoculants, on obtient un raffinement simultané des grains.

Renforcement des alliages métalliques par ultrasons

Les ultrasons se sont avérés très efficaces pour disperser uniformément les nanoparticules dans les boues. C'est pourquoi les disperseurs à ultrasons sont les équipements les plus courants pour produire des composites nano-renforcés.
Les nanoparticules (par exemple Al₂O₃/SiC, CNTs) sont utilisées comme matériau de renforcement. Les nanoparticules sont ajoutées à l'alliage en fusion et dispersées par ultrasons. La cavitation acoustique et l'écoulement améliorent la désagglomération et la mouillabilité des particules, ce qui améliore la résistance à la traction, la limite d'élasticité et l'allongement.

Équipement ultrasonique pour les applications lourdes

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.
Des processus exigeants – comme l'affinage des métaux en fusion – 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 liquides et de matières fondues à très haute température, Hielscher propose différentes sonotrodes et des 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 ultrasons :