Ultrasonic Verfeinerung vun Metal Schmelzen
- Power Ultraschall a geschmollte Metaller an Legierungen weist verschidde positiv Effekter wéi Strukturéierung, Entgasung a verbessert Filtratioun.
- Ultrasonication fördert d'net-dendritesch Solidifikatioun a flëssege a halleffeste Metalle.
- Sonication huet bedeitend Virdeeler op der mikrostrukturell Verfeinerung vun dendritesche Kären a primär intermetallesche Partikelen.
- Ausserdeem kann Kraaft-Ultraschall gezielt benotzt ginn fir d'Metallporositéit ze reduzéieren oder meso-poröse Strukturen ze produzéieren.
- Lescht awer net zulescht, Kraaft Ultraschall verbessert d'Qualitéit vu Castings.
Ultrasonic Solidifikatioun vu Metal Schmelzen
D'Bildung vun net-dendritesche Strukturen wärend der Verstäerkung vu Metallschmëlzen beaflosst d'Materialeigenschaften wéi Stäerkt, Duktilitéit, Zähegkeet an / oder Härheet.
Ultraschall verännert Kärnukleatioun: Akustesch Kavitatioun a seng intensiv Schéierkraaft erhéijen d'Nukleatiounsplazen an d'Zuel vun de Käre an der Schmelz. Ultraschallbehandlung vu Schmelzen resultéiert zu enger heterogener Nukleatioun an der Fragmentatioun vun Dendriten, sou datt d'Endprodukt e wesentlech méi héije Kornraffinement weist.
Ultraschall Kavitatioun verursaacht déi gläichméisseg Befeuchtung vun net-metallesche Gëftstoffer an der Schmelz. Dës Gëftstoffer ginn an Nukleatiounsplazen, déi d'Ausgangspunkte vun der Solidifikatioun sinn. Well dës Nukleatiounspunkte virun der Solidifikatiounsfront sinn, geschitt de Wuesstum vun dendritesche Strukturen net.
Makrostruktur vun Ti Legierung no Ultraschallbehandlung. Ultrasonication féiert zu enger wesentlech raffinéierter Kärstruktur.
Dr Andreeva-Bäumler, Universitéit vu Bayreuth, schafft mam Ultraschall UIP1000hdT un der Nanostrukturéierung vu Metaller.
Ultrasonic Effekter op Legierung Vicker Hardness: Ultrasonication verbessert d'Vickers Mikrohärkeet am Metall
(Studie a Grafik: ©Ruirun et al., 2017)
Dendrit Fragmentatioun: D'Schmelz vun Dendriten fänkt normalerweis bei der Wuerzel un duerch lokal Temperaturerhéijung a Segregatioun. Sonication generéiert staark Konvektioun (Wärmetransfer duerch Massebewegung vun enger Flëssegkeet) a Schockwellen an der Schmelz, sou datt d'Dendriten fragmentéiert sinn. Konvektioun kann Dendrit Fragmentatioun förderen wéinst extremen lokalen Temperaturen souwéi Zesummesetzungsvariatiounen a fördert Diffusioun vu Solut. D'Kavitatiounsschockwellen hëllefen d'Breechung vun deene Schmelzwurzelen.
Ultraschall Entgassing vu Metalllegierungen
Entgassing ass en anere wichtegen Effekt vu Kraaft-Ultraschall op flësseg a halleffest Metaller an Legierungen. Déi akustesch Kavitatioun erstellt alternéierend niddereg Drock / Héichdrock Zyklen. Wärend den nidderegen Drockzyklen entstinn kleng Vakuumblasen an der Flëssegkeet oder der Schlemmung. Dës Vakuumblasen handelen als Käre fir d'Bildung vu Waasserstoff a Dampblasen. Duerch d'Bildung vu gréissere Waasserstoffblasen klammen d'Gasblasen op. Akustesch Flow a Streaming hëllefen d'Schwemmen vun dëse Blasen op d'Uewerfläch an aus der Schmelz ze schwammen, sou datt de Gas ewechgeholl ka ginn an d'Gaskonzentratioun an der Schmelz reduzéiert gëtt.
Ultrasonic Entgasung reduzéiert d'Porositéit vum Metal an erreecht doduerch eng méi héich Materialdicht am Finale Metall / Legierungsprodukt.
Ultrasonic Entgasung vun Aluminiumlegierungen erhéijen d'ultimativ Spannkraaft an Duktilitéit vum Material. Industriell Kraaft Ultraschallsystemer zielen als déi bescht ënner anerem kommerziellen Entgasungsmethoden wat d'Effizienz an d'Veraarbechtungszäit ugeet. Ausserdeem gëtt de Prozess vu Schimmelfüllung verbessert wéinst enger niddereger Viskositéit vun der Schmelz.
Kompressive Eegeschafte vun Ti44Al6Nb1Cr2V ënner verschiddene sonication mol. Sonication verbessert d'Kompressiounskraaft wesentlech.
(Studie a Grafik: ©Ruirun et al., 2017)
Keramik Sonotrode BS4D22L3C ass eng speziell Sonotrode gëeegent fir Héichtemperaturflëssegkeeten wéi geschmollte Aluminium ze sonicéieren (zB fir Vermëschung an Entgasung).
Sonocapillary Effekt wärend der Filtratioun
Den Ultraschall-Kapillar-Effekt a flëssege Metalle ass de Fuereffekt fir Oxid-Inklusiounen während der ultraschall-assistéierter Filtratioun vu Schmelzen ze entfernen. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtratioun gëtt benotzt fir net-metallesch Gëftstoffer aus der Schmelz ze entfernen. Wärend der Filtratioun passéiert d'Schmelz verschidde Meshen (zB Glasfaser) fir ongewollte Inklusiounen ze trennen. Wat méi kleng d'Meshgréisst ass, dest besser ass d'Filtratiounsresultat.
Ënner allgemenge Bedéngungen kann d'Schmelz net en zweeschichtege Filter mat enger ganz schmueler Poregréisst vun 0,4-0,4mm passéieren. Wéi och ëmmer, ënner ultraschall-assistéierte Filtratioun ass d'Schmelz aktivéiert fir d'Meshporen duerch de sonokapillären Effekt ze passéieren. An dësem Fall behalen d'Filterkapillaren souguer netmetallesch Gëftstoffer vun 1-10μm. Wéinst der verstäerkter Rengheet vun der Legierung gëtt d'Bildung vu Waasserstoffporen bei den Oxiden vermeit, sou datt d'Müdegkeetskraaft vun der Legierung erhéicht gëtt.
Eskin et al. (2014: 120ff.) huet gewisen datt d'Ultraschallfiltratioun et méiglech mécht d'Aluminiumlegierungen AA2024, AA7055 an AA7075 ze purifizéieren mat Multi-Layer Glasfaserfilter (mat bis zu 9 Schichten) mat 0,6×0.6mm Mesh gemaach Poren. Wann den Ultraschallfiltratiounsprozess mat der Zousatz vun Inokulanten kombinéiert gëtt, gëtt eng gläichzäiteg Getreidefinanzéierung erreecht.
Ultrasonic Verstäerkung vun Metalllegierungen
Ultrasonication ass bewisen héich effektiv ze sinn fir Nanopartikelen eenheetlech a Schläim ze verdeelen. Dofir sinn Ultraschall-Disperger déi allgemeng Ausrüstung fir Nano-verstäerkte Kompositen ze produzéieren.
Nanopartikelen (zB Al2O3/SiC, CNTs) ginn als Verstäerkungsmaterial benotzt. D'Nano-Partikel ginn an d'geschmollte Legierung bäigefüügt an Ultraschall verspreet. Déi akustesch Kavitatioun a Streaming verbessert d'Deagglomeratioun an d'Befeuchtbarkeet vun de Partikelen, wat zu enger verbesserter Spannkraaft, Ausbezuelkraaft a Verlängerung resultéiert.
Ultrasonic Ausrüstung fir Heavy-Duty Uwendungen
D'Applikatioun vum Kraaft-Ultraschall an der Metallurgie erfuerdert robust, zouverléisseg Ultraschallsystemer, déi an usprochsvollen Ëmfeld installéiert kënne ginn. Hielscher Ultrasonics liwwert industriell Grad Ultraschallausrüstung fir Installatiounen a schwéieren Uwendungen a rau Ëmfeld. All eis Ultraschaller si fir 24/7 Operatioun gebaut. Hielscher High Power Ultrasonic Systemer si gepaart mat Robustheet, Zouverlässegkeet a präzis Kontrollbarkeet.
Fuerderend Prozesser – wéi d'Verfeinerung vu Metallschmëlzen – erfuerdert d'Fäegkeet vun intensiver Sonikatioun. Hielscher Ultrasonics industriell Ultrasonic Prozessoren liwweren ganz héich Amplituden. Amplituden vu bis zu 200µm kënne ganz einfach kontinuéierlech a 24/7 Operatioun lafen. Fir nach méi héich Amplituden sinn personaliséiert Ultraschall Sonotroden verfügbar.
Fir d'Sonicatioun vu ganz héije Flëssegkeets- a Schmelztemperaturen, bitt Hielscher verschidde Sonotroden a personaliséiert Accessoiren fir optimal Veraarbechtungsresultater ze garantéieren.
D'Tabell hei drënner gëtt Iech eng Indikatioun vun der geschätzter Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschaller:
| Batch Volume | Duerchflossrate | Recommandéiert Apparater |
|---|---|---|
| 10 bis 2000 ml | 20 bis 400 ml/min | UP200Ht, UP 400 St |
| 0.1 bis 20L | 02 bis 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100 l | 2 bis 10 l/min | UIP4000 |
| na | 10 bis 100 l/min | UIP16000 |
| na | méi grouss | Stärekoup vun UIP16000 |
Kontaktéiert eis! / Frot eis!
Literatur / Referenzen
- 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.
Fakten Worth Wëssen
Power Ultraschall a Kavitatioun
Wann héich intensiv Ultraschallwellen a Flëssegkeeten oder Schlëmmeren gekoppelt sinn, ass de Phänomen vun Kavitatioun geschitt.
Héich Kraaft, niddereg Frequenz Ultraschall verursaacht d'Bildung vu Kavitatiounsblasen a Flëssegkeeten a Schläim op eng kontrolléiert Manéier. Intens Ultraschallwellen generéieren ofwiesselnd niddereg Drock / Héichdrockzyklen an der Flëssegkeet. Dës séier Ännerungen vum Drock generéieren Voids, déi sougenannte Kavitatiounsblasen. Ultraschall-induzéiert Kavitatiounsblasen kënnen als chemesch Mikroreaktoren ugesi ginn, déi héich Temperaturen an Drock op der mikroskopescher Skala ubidden, wou d'Bildung vun aktive Spezies wéi fräi Radikale vu opgeléiste Molekülle geschitt. Am Kontext vun der Materialchemie huet d'Ultraschallkavitatioun den eenzegaartege Potenzial fir lokal Héichtemperatur (bis zu 5000 K) an Héichdrock (500atm) Reaktiounen ze katalyséieren, während de System makroskopesch bei Raumtemperatur an Ambientdruck bleift. (cf. Skorb, Andreeva 2013)
Ultraschallbehandlungen baséieren haaptsächlech op Kavitational Effekter. Fir Metallurgie ass d'Sonication eng héich avantagéis Technik fir de Goss vu Metaller an Legierungen ze verbesseren.
Nieft der Behandlung vu Metallschmelz gëtt d'Sonicatioun och benotzt fir Schwammähnlech Nanostrukturen an Nano-Muster op zolidd Metalloberflächen wéi Titan an Legierungen ze kreéieren. Dës ultraschall nanostrukturéiert Titan an Legierungsdeeler weisen grouss Kapazitéit als Implantate mat verstäerkter osteogener Zellverbreedung. Liest méi iwwer Ultraschall Nano-Strukturéierung vun Titanimplantater!