Մետաղների հալույթների ուլտրաձայնային կառուցվածքային բարելավում
- Հզոր ուլտրաձայնը հալված մետաղներում և համաձուլվածքներում առաջացնում է տարբեր օգտակար ազդեցություններ, ինչպիսիք են կառուցվածքավորումը, գազազերծումը և զտման բարելավումը։
- Ուլտրաձայնային մշակումը նպաստում է հեղուկ և կիսապինդ մետաղների ոչ դենդրիտային պնդացմանը։
- Ուլտրաձայնային մշակումը զգալի առավելություններ է ապահովում դենդրիտային հատիկների և առաջնային միջմետաղական մասնիկների միկրոկառուցվածքային մանրացման համար։
- Բացի այդ, հզոր ուլտրաձայնը կարող է նպատակաուղղված կիրառվել մետաղի ծակոտկենությունը նվազեցնելու կամ մեզոծակոտկեն կառուցվածքներ ստանալու համար։
- Վերջապես, բայց ոչ պակաս կարևոր՝ հզոր ուլտրաձայնը բարելավում է ձուլվածքների որակը։
Մետաղների հալույթների ուլտրաձայնային պնդացում
Մետաղների հալույթների պնդացման ընթացքում ոչ դենդրիտային կառուցվածքների առաջացումն ազդում է նյութի այնպիսի հատկությունների վրա, ինչպիսիք են ամրությունը, պլաստիկությունը, մածուցիկությունը և/կամ կարծրությունը։
Հատիկների սաղմնավորման փոփոխում ուլտրաձայնով․ Ակուստիկ կավիտացիան և դրա առաջացրած ինտենսիվ սահքի ուժերը մեծացնում են հալույթում սաղմնավորման կենտրոնների և սաղմերի թիվը։ Հալույթների ուլտրաձայնային մշակումը հանգեցնում է տարասեռ սաղմնավորման և դենդրիտների մասնատման, ինչի շնորհիվ վերջնական արտադրանքն ունի զգալիորեն ավելի մանր հատիկային կառուցվածք։
Ուլտրաձայնային կավիտացիան առաջացնում է հալույթում ոչ մետաղական խառնուկների հավասարաչափ թրջում։ Այդ խառնուկները վերածվում են սաղմնավորման կենտրոնների, որոնք պնդացման մեկնարկային կետերն են։ Քանի որ սաղմնավորման այդ կենտրոնները գտնվում են պնդացման ճակատից առաջ, դենդրիտային կառուցվածքների աճ տեղի չի ունենում։
Ti համաձուլվածքի մակրոկառուցվածքն ուլտրաձայնային մշակումից հետո։ Ուլտրաձայնային մշակման արդյունքում ստացվում է զգալիորեն մանրացված հատիկային կառուցվածք։
Բայրոյթի համալսարանի դոկտոր Անդրեևա-Բոյմլերն աշխատում է մետաղների նանոկառուցվածքավորման վրա՝ օգտագործելով UIP1000hdT ուլտրաձայնային սարքը։
Ուլտրաձայնի ազդեցությունները համաձուլվածքի՝ ըստ Վիկերսի կարծրության վրա․ ուլտրաձայնային մշակումը բարելավում է մետաղի՝ ըստ Վիկերսի միկրոկարծրությունը
(հետազոտություն և գծապատկեր՝ ©Ruirun et al., 2017)
Դենդրիտների մասնատում․ Դենդրիտների հալումը սովորաբար սկսվում է արմատից՝ ջերմաստիճանի տեղային բարձրացման և սեգրեգացիայի պատճառով։ Ուլտրաձայնային մշակումը հալույթում առաջացնում է ուժեղ կոնվեկցիա (ջերմության փոխանցում հեղուկի զանգվածային շարժման միջոցով) և հարվածային ալիքներ, ինչի հետևանքով դենդրիտները մասնատվում են։ Կոնվեկցիան կարող է նպաստել դենդրիտների մասնատմանը՝ տեղային ծայրահեղ ջերմաստիճանների, ինչպես նաև բաղադրության փոփոխությունների պատճառով, և նպաստում է լուծված նյութի դիֆուզիային։ Կավիտացիոն հարվածային ալիքներն օժանդակում են այդ հալվող արմատների կոտրմանը։
Մետաղական համաձուլվածքների ուլտրաձայնային գազազերծում
Գազազերծումը հզոր ուլտրաձայնի ևս մեկ կարևոր ազդեցություն է հեղուկ և կիսապինդ մետաղների ու համաձուլվածքների վրա։ Ակուստիկ կավիտացիան առաջացնում է ցածր ճնշման / բարձր ճնշման հերթագայվող ցիկլեր։ Ցածր ճնշման ցիկլերի ընթացքում հեղուկում կամ կախույթում առաջանում են վակուումային փոքրիկ պղպջակներ։ Այս վակուումային պղպջակները ծառայում են որպես ջրածնի և գոլորշու պղպջակների առաջացման սաղմեր։ Ջրածնի ավելի մեծ պղպջակների առաջացման շնորհիվ գազային պղպջակները բարձրանում են։ Ակուստիկ հոսքն ու հոսանքավորումը նպաստում են այս պղպջակների բարձրանալուն դեպի մակերևույթ և հալույթից դուրս գալուն, ինչի շնորհիվ գազը կարող է հեռացվել, իսկ հալույթում գազի կոնցենտրացիան նվազում է։
Ուլտրաձայնային գազազերծումը նվազեցնում է մետաղի ծակոտկենությունը՝ դրանով իսկ ապահովելով նյութի ավելի բարձր խտություն մետաղից / համաձուլվածքից պատրաստված վերջնական արտադրանքում։
Ալյումինային համաձուլվածքների ուլտրաձայնային գազազերծումը մեծացնում է նյութի ձգման ամրության սահմանը և պլաստիկությունը։ Արդյունավետության և մշակման ժամանակի առումով արդյունաբերական հզոր ուլտրաձայնային համակարգերը համարվում են լավագույնը գազազերծման առևտրային այլ մեթոդների շարքում։ Ավելին, հալույթի ավելի ցածր մածուցիկության շնորհիվ բարելավվում է ձուլաձևի լցման գործընթացը։
Ti44Al6Nb1Cr2V համաձուլվածքի սեղմման հատկությունները ուլտրաձայնային մշակման տարբեր տևողությունների դեպքում։ Ուլտրաձայնային մշակումը զգալիորեն բարելավում է սեղմման ամրությունը։
(հետազոտություն և գծապատկեր՝ ©Ruirun et al., 2017)
BS4D22L3C կերամիկական սոնոտրոդը հատուկ սոնոտրոդ է, որը հարմար է բարձր ջերմաստիճան ունեցող հեղուկների, օրինակ՝ հալված ալյումինի ուլտրաձայնային մշակման համար (օրինակ՝ խառնման և գազազերծման նպատակով)։
Սոնոմազանոթային էֆեկտը զտման ընթացքում
Հեղուկ մետաղներում ուլտրաձայնային մազանոթային էֆեկտը հալույթների ուլտրաձայնի օժանդակությամբ զտման ընթացքում օքսիդային ներխառնուկների հեռացման շարժիչ ազդեցությունն է։ (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Զտումն օգտագործվում է հալույթից ոչ մետաղական խառնուկները հեռացնելու համար։ Զտման ընթացքում հալույթն անցնում է տարբեր ցանցերի միջով (օրինակ՝ ապակեթելային)՝ անցանկալի ներխառնուկներն առանձնացնելու նպատակով։ Որքան փոքր են ցանցի բջիջները, այնքան լավ է զտման արդյունքը։
Սովորական պայմաններում հալույթը չի կարող անցնել 0,4–0,4mm չափի շատ նեղ ծակոտիներով երկշերտ զտիչի միջով։ Սակայն ուլտրաձայնի օժանդակությամբ զտման ժամանակ սոնոմազանոթային էֆեկտի շնորհիվ հալույթը կարողանում է անցնել ցանցի ծակոտիներով։ Այս դեպքում զտիչի մազանոթները պահում են նույնիսկ 1–10μm չափի ոչ մետաղական խառնուկները։ Համաձուլվածքի բարձրացած մաքրության շնորհիվ կանխվում է օքսիդների վրա ջրածնային ծակոտիների առաջացումը, ինչի արդյունքում մեծանում է համաձուլվածքի հոգնածային ամրությունը։
Eskin et al. (2014: 120ff.) ցույց են տվել, որ ուլտրաձայնային զտումը հնարավորություն է տալիս մաքրել AA2024, AA7055 և AA7075 ալյումինային համաձուլվածքները՝ օգտագործելով 0,6×0,6mm ցանցային ծակոտիներով բազմաշերտ ապակեթելային զտիչներ (մինչև 9 շերտով)։ Երբ ուլտրաձայնային զտման գործընթացը համակցվում է սաղմնավորող հավելանյութերի ավելացման հետ, միաժամանակ ապահովվում է հատիկների մանրացում։
Մետաղական համաձուլվածքների ուլտրաձայնային ամրացում
Ապացուցված է, որ ուլտրաձայնային մշակումը բարձր արդյունավետություն ունի կախույթներում նանոմասնիկների հավասարաչափ դիսպերսման համար։ Ուստի ուլտրաձայնային դիսպերսատորները նանոամրացված կոմպոզիտների արտադրության ամենատարածված սարքավորումներն են։
Նանոմասնիկները (օրինակ՝ Al2O3/SiC, CNTs) օգտագործվում են որպես ամրացնող նյութ։ Նանոմասնիկներն ավելացվում են հալված համաձուլվածքի մեջ և դիսպերսվում ուլտրաձայնով։ Ակուստիկ կավիտացիան և հոսանքավորումը բարելավում են մասնիկների ապագլոմերացումն ու թրջելիությունը, ինչի արդյունքում բարելավվում են ձգման ամրությունը, հոսունության սահմանը և երկարացումը։
Ուլտրաձայնային սարքավորումներ ծանր աշխատանքային պայմաններում կիրառման համար
Մետալուրգիայում հզոր ուլտրաձայնի կիրառումը պահանջում է ամուր, հուսալի ուլտրաձայնային համակարգեր, որոնք կարող են տեղադրվել խիստ պահանջներ ներկայացնող միջավայրերում։ Hielscher Ultrasonics ընկերությունը մատակարարում է արդյունաբերական դասի ուլտրաձայնային սարքավորումներ՝ ծանր աշխատանքային պայմաններում կիրառման և կոշտ միջավայրերում տեղադրման համար։ Մեր բոլոր ուլտրաձայնային սարքերը նախատեսված են 24/7 աշխատանքի համար։ Hielscher բարձր հզորության ուլտրաձայնային համակարգերը համատեղում են ամրությունը, հուսալիությունը և ճշգրիտ կառավարելիությունը։
Բարձր պահանջներ ներկայացնող գործընթացները, օրինակ՝ մետաղների հալույթների կառուցվածքային բարելավումը, պահանջում են ինտենսիվ ուլտրաձայնային մշակման հնարավորություն։ Hielscher Ultrasonics արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորներն ապահովում են շատ բարձր ամպլիտուդներ։ Մինչև 200µm ամպլիտուդներով կարելի է հեշտությամբ անընդհատ աշխատել 24/7 ռեժիմով։ Ավելի բարձր ամպլիտուդների համար հասանելի են պատվերով պատրաստվող ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ։
Շատ բարձր ջերմաստիճաններում հեղուկների և հալույթների ուլտրաձայնային մշակման համար Hielscher ընկերությունն առաջարկում է տարբեր սոնոտրոդներ և պատվերով պատրաստվող օժանդակ պարագաներ՝ մշակման օպտիմալ արդյունքներ ապահովելու նպատակով։
Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մշակման մոտավոր արտադրողականության մասին․
| Խմբաքանակի ծավալ | Հոսքի ծավալային արագություն | Առաջարկվող սարքեր |
|---|---|---|
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | ավելի մեծ | սարքերի համախումբ՝ UIP16000 |
Կապվե՛ք մեզ հետ։ / Հարցրե՛ք մեզ։
Գրականություն/Հղումներ
- 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.
Օգտակար տեղեկություններ
Հզոր ուլտրաձայն և կավիտացիա
Երբ բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ալիքների էներգիան հաղորդվում է հեղուկներին կամ կախույթներին, առաջանում է կավիտացիա կոչվող երևույթը։
Բարձր հզորության, ցածր հաճախականության ուլտրաձայնը հեղուկներում և կախույթներում վերահսկվող ձևով առաջացնում է կավիտացիոն պղպջակներ։ Ինտենսիվ ուլտրաձայնային ալիքները հեղուկում առաջացնում են ցածր ճնշման / բարձր ճնշման հերթագայվող ցիկլեր։ Ճնշման այս արագ փոփոխություններն առաջացնում են խոռոչներ՝ այսպես կոչված կավիտացիոն պղպջակներ։ Ուլտրաձայնով առաջացած կավիտացիոն պղպջակները կարելի է դիտարկել որպես քիմիական միկրոռեակտորներ, որոնք մանրադիտակային մասշտաբում ապահովում են բարձր ջերմաստիճաններ և ճնշումներ, և որոնցում լուծված մոլեկուլներից առաջանում են ակտիվ մասնիկներ, օրինակ՝ ազատ ռադիկալներ։ Նյութերի քիմիայի համատեքստում ուլտրաձայնային կավիտացիան ունի բարձր ջերմաստիճանային (մինչև 5000 K) և բարձր ճնշման (500atm) ռեակցիաները տեղայնորեն կատալիզելու եզակի ներուժ, մինչդեռ համակարգը մակրոսկոպիկ մակարդակում մնում է սենյակային ջերմաստիճանին և շրջակա միջավայրի ճնշմանը մոտ պայմաններում։ (տես՝ Skorb, Andreeva 2013)
Ուլտրաձայնային մշակումները հիմնականում հիմնված են կավիտացիոն ազդեցությունների վրա։ Մետալուրգիայում ուլտրաձայնային մշակումը մետաղների և համաձուլվածքների ձուլումը բարելավելու խիստ շահավետ մեթոդ է։
Բացի մետաղների հալույթների մշակումից, ուլտրաձայնային մշակումն օգտագործվում է նաև պինդ մետաղական մակերևույթների, օրինակ՝ տիտանի և համաձուլվածքների վրա սպունգանման նանոկառուցվածքներ և նանոնախշեր ստեղծելու համար։ Ուլտրաձայնով նանոկառուցվածքավորված տիտանե և համաձուլվածքային այս մասերը մեծ ներուժ ունեն որպես իմպլանտներ՝ ոսկրածին բջիջների ուժեղացված բազմացմամբ։ Կարդացե՛ք ավելին տիտանե իմպլանտների ուլտրաձայնային նանոկառուցվածքավորման մասին։