Ultrasonic Refinement of Metal Melts
- Gli ultrasuoni di potenza nei metalli e nelle leghe fuse mostrano diversi effetti benefici, come la strutturazione, il degasaggio e una migliore filtrazione.
- Gli ultrasuoni favoriscono la solidificazione non dendritica dei metalli liquidi e semisolidi.
- La sonicazione ha benefici significativi sull'affinamento 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 delle fusioni.
Solidificazione a ultrasuoni di fusioni metalliche
La formazione di strutture non dendritiche durante la solidificazione di fusioni metalliche influenza le proprietà del materiale come la resistenza, la duttilità, la tenacità e/o la durezza.
Nucleazione dei grani alterata dagli ultrasuoni: La cavitazione acustica e le sue intense forze di taglio aumentano i siti di nucleazione e il numero di nuclei nella fusione. Il trattamento a ultrasuoni dei fusi determina una nucleazione eterogenea e la frammentazione delle dendriti, cosicché il prodotto finale mostra una raffinatezza dei grani significativamente maggiore.
La cavitazione a ultrasuoni provoca la bagnatura uniforme delle impurità non metalliche presenti nella massa fusa. Queste impurità si trasformano in siti di nucleazione, che sono i punti di partenza della solidificazione. Poiché questi punti di nucleazione si trovano davanti al fronte di solidificazione, non si verifica la crescita di strutture dendritiche.
Macrostruttura della lega Ti dopo il trattamento a ultrasuoni. L'ultrasuonoterapia determina una struttura dei grani significativamente raffinata.
La dott.ssa Andreeva-Bäumler, dell'Università di Bayreuth, lavora con l'ultrasuonatore UIP1000hdT sulla nano-strutturazione dei metalli.
Effetti degli ultrasuoni sulla durezza Vicker delle leghe: L'ultrasuonoterapia migliora la microdurezza Vickers dei metalli.
(studio e grafico: ©Ruirun et al., 2017)
Frammentazione dei dendriti: La fusione delle dendriti inizia solitamente alla radice a causa dell'aumento locale della temperatura e della segregazione. La sonicazione genera una forte convezione (trasferimento di calore attraverso il movimento di massa di un fluido) e onde d'urto nella fusione, in modo da frammentare i dendriti. La convezione può favorire la frammentazione dei dendriti a causa delle estreme temperature locali e delle variazioni di composizione e promuove la diffusione del soluto. Le onde d'urto di cavitazione favoriscono la rottura delle radici di fusione.
Degassificazione a ultrasuoni delle leghe metalliche
Il degasaggio è un altro importante effetto degli ultrasuoni di potenza su metalli e leghe liquidi e semisolidi. La cavitazione acustica crea cicli alternati di bassa pressione/alta pressione. Durante i cicli di bassa pressione, nel liquido o nello slurry si formano minuscole bolle di vuoto. Queste bolle di vuoto fungono da nuclei per la formazione di bolle di idrogeno e vapore. A causa della formazione di bolle di idrogeno più grandi, le bolle di gas salgono. Il flusso acustico e lo streaming favoriscono il galleggiamento di queste bolle verso la superficie e fuori dalla colata, in modo da rimuovere il gas e ridurre la concentrazione di gas nella colata.
Il degasaggio a ultrasuoni riduce la porosità del metallo, ottenendo così una maggiore densità di materiale nel prodotto finale in metallo/lega.
La degassificazione a ultrasuoni delle leghe di alluminio aumenta il carico di rottura e la duttilità del materiale. I sistemi a ultrasuoni di potenza industriale sono i migliori tra gli altri metodi di degassificazione commerciali per quanto riguarda l'efficacia e i tempi di lavorazione. Inoltre, il processo di riempimento degli stampi viene migliorato grazie alla minore viscosità del materiale fuso.
Proprietà di compressione di Ti44Al6Nb1Cr2V in diversi tempi di sonicazione. La sonicazione migliora significativamente la resistenza alla compressione.
(studio e grafico: ©Ruirun et al., 2017)
Il sonotrodo ceramico BS4D22L3C è un sonotrodo speciale adatto alla sonicazione di liquidi ad alta temperatura come l'alluminio fuso (ad esempio per la miscelazione e il degasaggio).
Effetto sonocapillare durante la filtrazione
L'effetto capillare degli ultrasuoni nei metalli liquidi è l'effetto trainante per la rimozione delle inclusioni di ossido durante la filtrazione assistita da ultrasuoni delle fusioni. (Eskin et al. 2014: 120ss.)
La filtrazione viene utilizzata per rimuovere le impurità non metalliche dalla fusione. Durante la filtrazione, il fuso passa attraverso varie maglie (ad esempio, fibra di vetro) per separare le inclusioni indesiderate. Più piccole sono le dimensioni delle maglie, migliore è il risultato della filtrazione.
In condizioni comuni, la colata non può passare 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 colata è in grado di passare i pori della rete grazie all'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, con conseguente aumento della resistenza a fatica della lega.
Eskin et al. (2014: 120 e segg.) hanno dimostrato che la filtrazione ad ultrasuoni consente di purificare le leghe di alluminio AA2024, AA7055 e AA7075 utilizzando filtri in fibra di vetro multistrato (con un massimo di 9 strati) con 0,6×0pori da .6 mm di maglia. Quando il processo di filtrazione a ultrasuoni è combinato con l'aggiunta di inoculanti, si ottiene un affinamento simultaneo della grana.
Rinforzo a ultrasuoni delle leghe metalliche
È dimostrato che gli ultrasuoni sono molto efficaci per disperdere uniformemente le nano particelle negli impasti. Pertanto, i dispersori a ultrasuoni sono le apparecchiature più comuni per produrre compositi nano-rinforzati.
Nano particelle (ad es. Al2O3/SiC, CNTs) sono utilizzati come materiale di rinforzo. Le nano particelle vengono aggiunte alla lega fusa e disperse a ultrasuoni. La cavitazione acustica e lo streaming migliorano la deagglomerazione e la bagnabilità delle particelle, con conseguente miglioramento della resistenza alla trazione, del carico di snervamento e dell'allungamento.
Apparecchiature a ultrasuoni per applicazioni pesanti
L'applicazione degli ultrasuoni di potenza in metallurgia richiede sistemi a ultrasuoni robusti e affidabili, che possano essere installati in ambienti difficili. Hielscher Ultrasonics fornisce apparecchiature a ultrasuoni di livello industriale per installazioni in applicazioni pesanti e ambienti difficili. Tutti i nostri ultrasonori sono costruiti per funzionare 24 ore su 24, 7 giorni su 7. I sistemi a ultrasuoni ad alta potenza di Hielscher sono abbinati a robustezza, affidabilità e controllabilità precisa.
Processi impegnativi – come la raffinazione dei metalli fusi – richiedono la capacità di una sonicazione intensa. I processori industriali a ultrasuoni Hielscher Ultrasonics forniscono ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24 e 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.
Per la sonicazione di liquidi e fusioni a temperature molto elevate, Hielscher offre diversi sonotrodi e accessori personalizzati per garantire risultati di lavorazione ottimali.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
| 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): 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.
Particolarità / Cose da sapere
Ultrasuoni di potenza e cavitazione
Quando le onde ultrasoniche ad alta intensità vengono accoppiate a liquidi o fanghi, il fenomeno di cavitazione si verifica.
Gli ultrasuoni ad alta potenza e bassa frequenza provocano la formazione di bolle di cavitazione in liquidi e fanghi in modo controllato. Le intense onde ultrasonore generano cicli alternati di bassa pressione/alta pressione nel liquido. Questi rapidi cambiamenti di pressione generano vuoti, le cosiddette bolle di cavitazione. Le bolle di cavitazione indotte dagli ultrasuoni possono essere considerate come microreattori chimici che forniscono temperature e pressioni elevate su scala microscopica, dove si verifica la formazione di specie attive come i radicali liberi dalle 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 a ultrasuoni si basano principalmente sugli effetti cavitazionali. Per la metallurgia, la sonicazione è una tecnica molto vantaggiosa per migliorare la fusione di metalli e leghe.
Oltre al trattamento dei metalli fusi, la sonicazione viene utilizzata anche per creare nanostrutture simili a spugne e nanopattern su superfici di metalli solidi come il titanio e le leghe. Queste parti in titanio e leghe nanostrutturate a ultrasuoni mostrano grandi capacità come impianti con una maggiore proliferazione di cellule osteogeniche. Per saperne di più sulla nanostrutturazione a ultrasuoni degli impianti in titanio!