მეტალის ნადნობების ულტრაბგერითი დახვეწა
- მძლავრი ულტრაბგერა მეტალებისა და შენადნობების ნადნობებში ავლენს სხვადასხვა სასარგებლო ეფექტს, როგორიცაა სტრუქტურირება, დეგაზირება და ფილტრაციის გაუმჯობესება.
- ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს არადენდრიტულ კრისტალიზაციას თხევად და ნახევრად მყარ მეტალებში.
- ულტრაბგერით დამუშავებას აქვს მნიშვნელოვანი სარგებელი დენდრიტული მარცვლებისა და პირველადი ინტერმეტალური ნაწილაკების მიკროსტრუქტურული დახვეწისთვის.
- გარდა ამისა, მძლავრი ულტრაბგერა შეიძლება მიზანმიმართულად იქნას გამოყენებული მეტალის ფოროვნების შესამცირებლად ან მეზო-ფოროვანი სტრუქტურების წარმოებისთვის.
- ბოლოს და ბოლოს, მძლავრი ულტრაბგერა აუმჯობესებს ჩამოსხმის ხარისხს.
მეტალის ნადნობების ულტრაბგერითი კრისტალიზაცია
არადენდრიტული სტრუქტურების წარმოქმნა მეტალის ნადნობების კრისტალიზაციის დროს გავლენას ახდენს მასალის თვისებებზე, როგორიცაა სიმტკიცე, პლასტიკურობა, დარტყმითი სიბლანტე და/ან სიხისტე.
ულტრაბგერით შეცვლილი მარცვლების ჩანასახების წარმოქმნა: აკუსტიკური კავიტაცია და მის მიერ წარმოქმნილი ინტენსიური ძვრის ძალები ზრდის ნადნობში კრისტალიზაციის ცენტრებისა და ჩანასახების რაოდენობას. ნადნობების ულტრაბგერითი დამუშავება იწვევს ჩანასახების ჰეტეროგენულ წარმოქმნას და დენდრიტების დაქუცმაცებას, რის შედეგადაც საბოლოო პროდუქტს მნიშვნელოვნად უფრო წვრილმარცვლოვანი სტრუქტურა აქვს.
ულტრაბგერითი კავიტაცია იწვევს ნადნობში არამეტალური მინარევების თანაბარ დასველებას. ეს მინარევები იქცევა კრისტალიზაციის ცენტრებად, რომლებიც კრისტალიზაციის საწყისი წერტილებია. რადგან ეს კრისტალიზაციის ცენტრები კრისტალიზაციის ფრონტის წინ მდებარეობს, დენდრიტული სტრუქტურების ზრდა არ ხდება.
ტიტანის შენადნობის მაკროსტრუქტურა ულტრაბგერითი დამუშავების შემდეგ. ულტრაბგერითი დამუშავება იწვევს მნიშვნელოვნად დახვეწილ მარცვლის სტრუქტურას.
დოქტორი ანდრეევა-ბაუმლერი, ბაიროითის უნივერსიტეტი, მუშაობს ულტრაბგერითი აპარატის UIP1000hdT გამოყენებით მეტალების ნანოსტრუქტურირებაზე.
ულტრაბგერითი ეფექტები შენადნობის ვიკერის სიხისტეზე: ულტრაბგერითი დამუშავება აუმჯობესებს ვიკერის მიკროსიხისტეს მეტალში
(კვლევა და გრაფიკა: ©Ruirun et al., 2017)
დენდრიტების დაქუცმაცება: დენდრიტების დნობა ჩვეულებრივ იწყება ფესვთან ადგილობრივი ტემპერატურის მატებისა და სეგრეგაციის გამო. ულტრაბგერითი დამუშავება ნადნობში წარმოქმნის ძლიერ კონვექციას (სითბოს გადაცემას სითხის მასის მოძრაობით) და დარტყმით ტალღებს, რის შედეგადაც დენდრიტები იქუცმაცება. კონვექციამ შეიძლება ხელი შეუწყოს დენდრიტების დაქუცმაცებას ექსტრემალური ადგილობრივი ტემპერატურებისა და შემადგენლობის ცვლილებების გამო; იგი ასევე ხელს უწყობს გახსნილი ნივთიერების დიფუზიას. კავიტაციური დარტყმითი ტალღები ხელს უწყობს ამ დნობადი ფესვების მოტეხვას.
მეტალური შენადნობების ულტრაბგერითი დეგაზირება
დეგაზირება არის მძლავრი ულტრაბგერის კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი ეფექტი თხევად და ნახევრად მყარ მეტალებსა და შენადნობებზე. აკუსტიკური კავიტაცია ქმნის დაბალი და მაღალი წნევის მონაცვლე ციკლებს. დაბალი წნევის ციკლების დროს სითხეში ან სუსპენზიაში წარმოიქმნება პატარა ვაკუუმური ბუშტუკები. ეს ვაკუუმური ბუშტუკები წყალბადისა და ორთქლის ბუშტუკების წარმოქმნის ჩანასახებს წარმოადგენს. წყალბადის უფრო დიდი ბუშტუკების წარმოქმნის შედეგად აირის ბუშტუკები ზემოთ ამოდის. აკუსტიკური დინება და ნაკადები ხელს უწყობს ამ ბუშტუკების ზედაპირზე ამოტივტივებასა და ნადნობიდან გამოსვლას, რაც აირის მოცილებისა და ნადნობში მისი კონცენტრაციის შემცირების საშუალებას იძლევა.
ულტრაბგერითი დეგაზირება ამცირებს მეტალის ფოროვნებას, რითაც მიიღწევა უფრო მაღალი მასალის სიმკვრივე საბოლოო მეტალის / შენადნობის პროდუქტში.
ალუმინის შენადნობების ულტრაბგერითი დეგაზირება ზრდის მასალის სიმტკიცის ზღვარს გაჭიმვისას და პლასტიკურობას. სამრეწველო მძლავრი ულტრაბგერითი სისტემები ითვლება საუკეთესოდ სხვა კომერციული დეგაზირების მეთოდებს შორის ეფექტურობისა და დამუშავების დროის თვალსაზრისით. გარდა ამისა, ყალიბის შევსების პროცესი უმჯობესდება ნადნობის დაბალი სიბლანტის გამო.
Ti44Al6Nb1Cr2V-ის თვისებები კუმშვისას ულტრაბგერითი დამუშავების სხვადასხვა ხანგრძლივობის პირობებში. ულტრაბგერითი დამუშავება მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს სიმტკიცეს კუმშვისას.
(კვლევა და გრაფიკა: ©Ruirun et al., 2017)
კერამიკული სონოტროდი BS4D22L3C არის სპეციალური სონოტროდი, რომელიც შესაფერისია მაღალი ტემპერატურის სითხეების, როგორიცაა ალუმინის ნადნობი, ულტრაბგერითი დამუშავებისთვის (მაგ. შერევისა და დეგაზირებისთვის).
სონოკაპილარული ეფექტი ფილტრაციის დროს
ულტრაბგერითი კაპილარული ეფექტი თხევად მეტალებში არის მამოძრავებელი ეფექტი ოქსიდური ჩანართების მოსაცილებლად ნადნობების ულტრაბგერითი დამხმარე ფილტრაციის დროს. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
ფილტრაცია გამოიყენება ნადნობიდან არამეტალური მინარევების მოსაცილებლად. ფილტრაციის დროს ნადნობი გადის სხვადასხვა ბადეში (მაგ. მინის ბოჭკოს ბადეში) არასასურველი ჩანართების გამოსაყოფად. რაც უფრო მცირეა ბადის უჯრედების ზომა, მით უკეთესია ფილტრაციის შედეგი.
ჩვეულებრივ პირობებში ნადნობი ვერ გადის ორშრიან ფილტრში, რომლის ფორების ზომა ძალიან მცირეა – 0,4-0,4mm. თუმცა, ულტრაბგერითი ფილტრაციის პირობებში ნადნობს შეუძლია გაიაროს ბადის ფორებში სონოკაპილარული ეფექტის გამო. ამ შემთხვევაში ფილტრის კაპილარები აკავებს 1–10μm ზომის არამეტალურ მინარევებსაც კი. შენადნობის გაუმჯობესებული სისუფთავის გამო თავიდან არის აცილებული ოქსიდებზე წყალბადის ფორების წარმოქმნა, რის შედეგადაც შენადნობის დაღლილობითი სიმტკიცე იზრდება.
Eskin et al. (2014: 120ff.) აჩვენეს, რომ ულტრაბგერითი ფილტრაცია საშუალებას იძლევა გაიწმინდოს ალუმინის შენადნობები AA2024, AA7055 და AA7075 მრავალშრიანი მინის ბოჭკოვანი ფილტრების გამოყენებით (9 შრემდე), რომელთა ბადის ფორების ზომაა 0,6×0,6mm. როდესაც ულტრაბგერითი ფილტრაციის პროცესი ინოკულანტების დამატებასთან არის შერწყმული, ერთდროულად მიიღწევა მარცვლების დაწვრილებაც.
მეტალის შენადნობების ულტრაბგერითი გაძლიერება
დადასტურებულია, რომ ულტრაბგერითი დამუშავება უაღრესად ეფექტურია ნანონაწილაკების თანაბრად გასანაწილებლად სუსპენზიებში. ამიტომ, ულტრაბგერითი დისპერგატორები არის ყველაზე გავრცელებული აღჭურვილობა ნანო-გაძლიერებული კომპოზიტების წარმოებისთვის.
ნანონაწილაკები (მაგ. Al2O3/SiC, CNTs) გამოიყენება როგორც გამამტკიცებელი მასალა. ნანონაწილაკები ემატება გამდნარ შენადნობს და ულტრაბგერითად დისპერგირდება. აკუსტიკური კავიტაცია და ნაკადები აუმჯობესებს ნაწილაკების დეაგლომერაციასა და დასველებადობას, რის შედეგადაც იზრდება სიმტკიცე გაჭიმვისას, დენადობის ზღვარი და წაგრძელება.
ულტრაბგერითი აღჭურვილობა მძიმე პირობებისთვის
მძლავრი ულტრაბგერის გამოყენება მეტალურგიაში მოითხოვს გამძლე, საიმედო ულტრაბგერით სისტემებს, რომლებიც შეიძლება დამონტაჟდეს რთულ გარემოში. Hielscher Ultrasonics აწვდის სამრეწველო კლასის ულტრაბგერით აღჭურვილობას მძიმე პირობებსა და მკაცრ გარემოში გამოსაყენებლად. ჩვენი ყველა ულტრაბგერითი აპარატი შექმნილია 24/7 მუშაობისთვის. Hielscher-ის მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი სისტემები ხასიათდება გამძლეობით, საიმედოობითა და ზუსტი მართვადობით.
რთული პროცესები – როგორიცაა მეტალის ნადნობების დახვეწა – მოითხოვს ინტენსიური ულტრაბგერითი დამუშავების შესაძლებლობას. Hielscher Ultrasonics-ის სამრეწველო ულტრაბგერითი პროცესორები უზრუნველყოფენ ძალიან მაღალ ამპლიტუდებს. 200µm-მდე ამპლიტუდით უწყვეტი მუშაობა მარტივად არის შესაძლებელი 24/7 რეჟიმში. კიდევ უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია ინდივიდუალური მოთხოვნებით დამზადებული ულტრაბგერითი სონოტროდები.
სითხეებისა და ნადნობების ძალიან მაღალ ტემპერატურებზე ულტრაბგერითი დამუშავებისთვის Hielscher გთავაზობთ სხვადასხვა სონოტროდსა და ინდივიდუალური მოთხოვნებით დამზადებულ აქსესუარებს დამუშავების ოპტიმალური შედეგების უზრუნველსაყოფად.
ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაძლევთ წარმოდგენას ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატების მიახლოებითი დამუშავების შესაძლებლობებზე:
| პარტიის მოცულობა | მოცულობითი ხარჯი | რეკომენდებული მოწყობილობები |
|---|---|---|
| 10-დან 2000mL-მდე | 20-დან 400mL/min-მდე | UP200Ht, UP400St |
| 0,1-დან 20L-მდე | 0,2-დან 4L/min-მდე | UIP2000hdT |
| 10-დან 100L-მდე | 2-დან 10L/min-მდე | UIP4000 |
| n.a. | 10-დან 100L/min-მდე | UIP16000 |
| n.a. | უფრო დიდი | კლასტერი UIP16000 |
დაგვიკავშირდით! / დაგვისვით შეკითხვა!
ლიტერატურა/გამოყენებული წყაროები
- 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.
საყურადღებო ფაქტები
მძლავრი ულტრაბგერა და კავიტაცია
როდესაც მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღები გადაეცემა სითხეებს ან სუსპენზიებს, ხდება კავიტაციის ფენომენი.
მაღალი სიმძლავრის, დაბალი სიხშირის ულტრაბგერა იწვევს კავიტაციური ბუშტუკების კონტროლირებად წარმოქმნას სითხეებსა და სუსპენზიებში. ინტენსიური ულტრაბგერითი ტალღები სითხეში ქმნის დაბალი და მაღალი წნევის მონაცვლე ციკლებს. წნევის ეს სწრაფი ცვლილებები წარმოქმნის ღრუებს, ე.წ. კავიტაციურ ბუშტუკებს. ულტრაბგერით წარმოქმნილი კავიტაციური ბუშტუკები შეიძლება განვიხილოთ როგორც ქიმიური მიკრორეაქტორები, რომლებიც მიკროსკოპულ მასშტაბზე უზრუნველყოფს მაღალ ტემპერატურასა და წნევას, რის პირობებშიც გახსნილი მოლეკულებისგან წარმოიქმნება აქტიური ქიმიური ნაწილაკები, მაგალითად, თავისუფალი რადიკალები. მასალათა ქიმიის კონტექსტში ულტრაბგერით კავიტაციას აქვს უნიკალური უნარი, ადგილობრივად მოახდინოს მაღალტემპერატურული (5000 K-მდე) და მაღალი წნევის (500atm) რეაქციების კატალიზი, მაშინ როდესაც სისტემა მაკროსკოპულ დონეზე ოთახის ტემპერატურასა და გარემოს წნევასთან ახლოს რჩება. (იხ. Skorb, Andreeva 2013)
ულტრაბგერითი დამუშავებები ძირითადად ეფუძნება კავიტაციურ ეფექტებს. მეტალურგიისთვის, ულტრაბგერითი დამუშავება არის უაღრესად სასარგებლო ტექნიკა მეტალებისა და შენადნობების ჩამოსხმის გასაუმჯობესებლად.
მეტალის ნადნობების დამუშავების გარდა, ულტრაბგერითი დამუშავება ასევე გამოიყენება ღრუბლისებრი ნანოსტრუქტურებისა და ნანორელიეფების შესაქმნელად მყარი მეტალების, მაგალითად, ტიტანისა და შენადნობების ზედაპირებზე. ამგვარად ულტრაბგერით ნანოსტრუქტურირებულ ტიტანისა და შენადნობების დეტალებს დიდი პოტენციალი აქვს იმპლანტებად გამოყენებისთვის, რადგან ისინი ხელს უწყობს ოსტეოგენური უჯრედების პროლიფერაციას. წაიკითხეთ მეტი ტიტანის იმპლანტების ულტრაბგერითი ნანოსტრუქტურირების შესახებ!