Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Elaborazione ad ultrasuoni delle fusioni metalliche

  • Gli ultrasuoni di potenza nei metalli fusi e nelle leghe mostrano vari effetti benefici come la strutturazione, il degasaggio e una migliore filtrazione.
  • Gli ultrasuoni favoriscono la solidificazione nonendritica in metalli liquidi e semisolidi.
  • La sonicazione ha benefici significativi sulla raffinatezza microstrutturale dei grani dendritici e delle particelle intermetalliche primarie.
  • Inoltre, gli ultrasuoni di potenza possono essere utilizzati appositamente per ridurre la porosità del metallo o per produrre strutture meso-porose.
  • Infine, ma non meno importante, gli ultrasuoni di potenza migliorano la qualità dei getti.

 

Solidificazione ad ultrasuoni

La formazione di strutture nonendritiche durante la solidificazione del metallo fuso influenza le proprietà del materiale come la resistenza, la duttilità, la tenacità e/o la durezza.
Nucleazione del grano alterata ad ultrasuoni: La cavitazione acustica e le sue intense forze di taglio aumentano i siti di nuclei e il numero di nuclei nella fusione. Il trattamento ad ultrasuoni (UST) delle fusioni determina una nucleazione eterogenea e la frammentazione dei dendriti, cosicché il prodotto finale mostra una raffinatezza della grana significativamente più elevata.
La cavitazione ad ultrasuoni provoca l'umidificazione uniforme di impurità non metalliche nella fusione. Queste impurità si trasformano in siti di nucleazione, che sono i punti di partenza della solidificazione. Poiché questi punti di nucleazione sono più avanti del fronte di solidificazione, la crescita delle strutture dendritiche non si verifica.

L'elaborazione ad ultrasuoni delle fusioni metalliche migliora la struttura del grano.

Macrostruttura della lega di Ti dopo il trattamento ad ultrasuoni (Ruirun et al. 2017)

Frammentazione dei dendriti: La fusione dei dendriti inizia solitamente alla radice a causa dell'aumento della temperatura locale e della segregazione. UST genera una forte convezione (trasferimento di calore per movimento di massa di un fluido) e onde d'urto nella fusione, in modo che i dendriti sono frammentati. La convezione può favorire la frammentazione dei dendriti dovuta a temperature locali estreme, nonché le variazioni di composizione e favorisce la diffusione del soluto. Le onde d'urto di cavitazione aiutano la rottura di quelle radici che si fondono.

Degasaggio ad ultrasuoni di leghe metalliche

Il degasaggio è un altro importante effetto dell'ultrasuono di potenza su metalli liquidi e semisolidi e leghe. La cavitazione acustica crea cicli alternati di bassa pressione e alta pressione. Durante i cicli a bassa pressione, minuscole bolle di vuoto si formano nel liquido o nel liquame. Queste bolle sottovuoto agiscono come nuclei per la formazione di bolle di idrogeno e vapore. A causa della formazione di bolle di idrogeno più grandi, le bolle di gas aumentano. Il flusso acustico e lo streaming aiutano il galleggiamento di queste bolle in superficie e fuori dalla colata, in modo che il gas possa essere rimosso e la concentrazione di gas nella colata sia ridotta.
Il degasaggio ad ultrasuoni riduce la porosità del metallo ottenendo così una maggiore densità del materiale nel prodotto finale metallo/lega.
La degassificazione ad ultrasuoni delle leghe di alluminio aumenta la resistenza alla trazione e la duttilità del materiale. I sistemi ad ultrasuoni industriali di potenza sono considerati i migliori tra gli altri metodi di degasaggio commerciali per quanto riguarda l'efficacia e i tempi di lavorazione. Inoltre, il processo di riempimento dello stampo è migliorato grazie alla minore viscosità della massa fusa.

Raffinatezza ultrasuoni della lega di Ti (Clicca per ingrandire!)

Proprietà di compressione del Ti44Al6Nb1Cr2V in diversi tempi di sonicazione.

L'UIP1000hd è un potente dispositivo a ultrasuoni, utilizzato per l'ingegneria dei materiali, la nano strutturazione e la modifica delle particelle. (Clicca per ingrandire!)

Dr. D. Andreeva dimostra la procedura di strutturazione ad ultrasuoni
utilizzando l'opzione UIP1000hd ultrasuoni (20 kHz, 1000W). Immagine di Ch. Wißler

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Effetto delle vibrazioni ultrasoniche

Effetto Sonocapillare durante la filtrazione

L'effetto capillare ultrasonico (UCE) nei metalli liquidi è l'effetto trainante per rimuovere le inclusioni di ossido durante la filtrazione ultrasonicamente assistita delle fusioni. (Eskin et al. 2014: 120ss.)
La filtrazione è utilizzata per rimuovere le impurità non metalliche dalla massa fusa. Durante la filtrazione, la massa fusa passa attraverso varie maglie (ad esempio, fibre di vetro) per separare le inclusioni indesiderate. Più piccola è la dimensione delle maglie, migliore è il risultato della filtrazione.
In condizioni comuni, la massa fusa non può superare un filtro a due strati con una dimensione dei pori molto stretta di 0,4-0,4 mm. Tuttavia, in caso di filtrazione assistita da ultrasuoni, la massa fusa è in grado di attraversare i pori della maglia a causa dell'effetto sonocapillare. In questo caso, i capillari del filtro trattengono anche impurità non metalliche di 1-10μm. Grazie alla maggiore purezza della lega, si evita la formazione di pori di idrogeno in corrispondenza degli ossidi, in modo da aumentare la resistenza a fatica della lega.
Eskin et al. (2014: 120 e segg.) ha dimostrato che la filtrazione ad ultrasuoni permette di purificare le leghe di alluminio AA2024, AA7055 e AA7075 utilizzando filtri multistrato in fibra di vetro (fino a 9 strati) con 0,6×0.6mm mesh pori. Quando il processo di filtrazione ad ultrasuoni è combinato con l'aggiunta di inoculanti, si ottiene una contemporanea raffinazione dei cereali.

Rinforzo ad ultrasuoni

L'ultrasonicazione si è dimostrata altamente efficace nel disperdere uniformemente le nano particelle nei liquami. Pertanto, i disperditori ad ultrasuoni sono l'attrezzatura più comune per produrre compositi nanorinforzati.
Nano particelle (ad es. Al2O3/SiC, CNT) sono utilizzati come materiale di rinforzo. Le nano particelle vengono aggiunte alla lega fusa e disperse ad ultrasuoni. La cavitazione acustica e lo streaming migliora il deagglomerazione e la bagnabilità delle particelle, con conseguente miglioramento del carico di rottura, del carico di snervamento e dell'allungamento.

Dispositivo ad ultrasuoni UIP2000hdT (2kW) con Cascatrode

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Apparecchiature a ultrasuoni per applicazioni gravose

L'applicazione degli ultrasuoni di potenza in metallurgia richiede sistemi ad ultrasuoni robusti e affidabili, che possono essere installati in ambienti difficili. Hielscher Ultrasonics fornisce apparecchiature a ultrasuoni di grado industriale per installazioni in applicazioni pesanti e ambienti difficili. Tutti i nostri ultrasuoni sono costruiti per funzionare 24/7. I sistemi ad ultrasuoni ad alta potenza di Hielscher sono abbinati a robustezza, affidabilità e controllabilità precisa.
Processi impegnativi – come la raffinazione dei metalli si scioglie – richiedono la capacità di intensa sonicazione. Ultrasuoni Hielscher’ I processori a ultrasuoni industriali offrono ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente gestite ininterrottamente in funzionamento 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi ad ultrasuoni personalizzati.
Per la sonicazione di liquidi molto elevati e temperature di fusione, Hielscher offre diverse sonotrodi e accessori personalizzati per garantire risultati di lavorazione ottimali.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
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. più grande cluster di UIP16000

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Letteratura/riferimenti

  • Eskin, Georgy I.; Eskin, Dmitry G. (2014): Trattamento ad ultrasuoni di leghe leggere fuse. Stampa CRC,Tecnologia & Ingegneria 2014.
  • Jia, S.; Xuan, Y.; Nastac, L.; Allison, P.G.; Rushing, T.W: (2016): Microstruttura, proprietà meccaniche e comportamento alla frattura di getti nanocompositi a base di lega di alluminio 6061 fabbricati con processi ad ultrasuoni. International Journal of Cast Metals Research, Vol. 29, Iss. 5: TMS 2015 Riunione annuale e mostra 2016. 286-289.
  • Ruirun, C. et al. (2017): Effetti delle vibrazioni ultrasoniche sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche di TiAl ad alta lega. Sci. Rep. 7, 2017.
  • Skorb, E.V.; Andreeva, D.V. (2013): Costruzione di spugne sintetiche a ultrasuoni di ispirazione biologica. J. Mater. Chimica. A, 2013,1. 7547-7557.
  • Tzanakis,I.; Xu, W.W.; Eskin, D.G.; Lee, P.D.; Kotsovinos, N. (2015): Osservazione in situ e analisi dell'effetto capillare ultrasonico in alluminio fuso. Ecochimica ad ultrasuoni 27, 2015. 72-80.
  • Wu, W.W.W:; Tzanakis, I.; Srirangam, P.; Mirihanage, W.U.; Eskin, D.G.; Bodey, A.J.; Lee, P.D. (2015): Sincrotrone Quantificazione della cavitazione ad ultrasuoni e della dinamica delle bolle in Al-10Cu fonde.


Particolarità / Cose da sapere

Ecografia di potenza e cavitazione

Quando onde ultrasoniche ad alta intensità sono accoppiate in liquidi o fanghi, il fenomeno di cavitazione si verifica.
Gli ultrasuoni ad alta potenza e bassa frequenza causano la formazione di bolle di cavitazione in liquidi e fanghi in modo controllato. Le onde ultrasoniche intense generano cicli alternati di bassa pressione e alta pressione nel liquido. Questi rapidi cambiamenti di pressione generano vuoti, le cosiddette bolle di cavitazione. Le bolle di cavitazione indotte ad ultrasuoni possono essere considerate come microreattori chimici che forniscono alte temperature e pressioni su scala microscopica, dove si verifica la formazione di specie attive come i radicali liberi da molecole disciolte. Nel contesto della chimica dei materiali, la cavitazione ultrasonica ha il potenziale unico di catalizzare localmente reazioni ad alta temperatura (fino a 5000 K) e ad alta pressione (500atm), mentre il sistema rimane macroscopicamente vicino alla temperatura ambiente e alla pressione ambiente. (cfr. Skorb, Andreeva 2013)
I trattamenti ad ultrasuoni (UST) si basano principalmente sugli effetti cavitazionali. Per la metallurgia, l'UST è una tecnica altamente vantaggiosa per migliorare la fusione di metalli e leghe.