Ultrasone verfijning van metaalsmelten
- Ultrageluid met hoog vermogen heeft in gesmolten metalen en legeringen diverse gunstige effecten, zoals structurering, ontgassing en verbeterde filtratie.
- Ultrasone behandeling bevordert de niet-dendritische stolling in vloeibare en halfvaste metalen.
- Sonicatie heeft aanzienlijke voordelen voor de microstructurele verfijning van dendritische korrels en primaire intermetallische deeltjes.
- Bovendien kan ultrageluid met hoog vermogen gericht worden gebruikt om de porositeit van het metaal te verminderen of mesoporeuze structuren te produceren.
- Tot slot verbetert ultrageluid met hoog vermogen de kwaliteit van gietstukken.
Ultrasone stolling van metaalsmelten
De vorming van niet-dendritische structuren tijdens de stolling van metaalsmelten beïnvloedt materiaaleigenschappen zoals sterkte, ductiliteit, taaiheid en/of hardheid.
Ultrasoon veranderde korrelkiemvorming: Akoestische cavitatie en de daarmee gepaard gaande intense afschuifkrachten verhogen het aantal kiemvormingsplaatsen en kiemen in de smelt. Ultrasone behandeling van smelten leidt tot heterogene kiemvorming en de fragmentatie van dendrieten, waardoor het eindproduct een aanzienlijk sterkere korrelverfijning vertoont.
Ultrasone cavitatie zorgt voor een gelijkmatige bevochtiging van niet-metallische verontreinigingen in de smelt. Deze verontreinigingen worden kiemvormingsplaatsen, die de beginpunten van de stolling vormen. Omdat deze kiemvormingspunten zich vóór het stollingsfront bevinden, treedt er geen groei van dendritische structuren op.
Macrostructuur van een Ti-legering na ultrasone behandeling. Ultrasone behandeling resulteert in een aanzienlijk verfijnde korrelstructuur.
Dr. Andreeva-Bäumler van de Universiteit van Bayreuth werkt met de sonicator UIP1000hdT aan de nanostructurering van metalen.
Ultrasone effecten op de Vickers-hardheid van legeringen: ultrasone behandeling verbetert de Vickers-microhardheid in metaal
(onderzoek en grafiek: ©Ruirun et al., 2017)
Dendrietfragmentatie: Het smelten van dendrieten begint meestal aan de wortel als gevolg van een lokale temperatuurstijging en segregatie. Sonicatie genereert sterke convectie (warmteoverdracht door massabeweging van een fluïdum) en schokgolven in de smelt, waardoor de dendrieten worden gefragmenteerd. Convectie kan dendrietfragmentatie bevorderen door extreem hoge lokale temperaturen en variaties in de samenstelling, en bevordert de diffusie van opgeloste stoffen. De cavitatieschokgolven helpen deze smeltende wortels af te breken.
Ultrasone ontgassing van metaallegeringen
Ontgassing is een ander belangrijk effect van ultrageluid met hoog vermogen op vloeibare en halfvaste metalen en legeringen. De akoestische cavitatie creëert afwisselende lagedruk- en hogedrukcycli. Tijdens de lagedrukcycli ontstaan kleine vacuümbellen in de vloeistof of suspensie. Deze vacuümbellen fungeren als kiemen voor de vorming van waterstof- en dampbellen. Door de vorming van grotere waterstofbellen stijgen de gasbellen op. Akoestische stroming en akoestische streaming helpen deze bellen naar het oppervlak en uit de smelt te drijven, zodat het gas kan worden verwijderd en de gasconcentratie in de smelt wordt verlaagd.
Ultrasone ontgassing vermindert de porositeit van het metaal, waardoor een hogere materiaaldichtheid in het uiteindelijke product van metaal / legering wordt bereikt.
Ultrasone ontgassing van aluminiumlegeringen verhoogt de treksterkte en ductiliteit van het materiaal. Industriële systemen voor ultrageluid met hoog vermogen gelden als de beste onder de commerciële ontgassingsmethoden wat betreft doeltreffendheid en verwerkingstijd. Bovendien wordt het vullen van de gietvorm verbeterd doordat de smelt een lagere viscositeit heeft.
Drukeigenschappen van Ti44Al6Nb1Cr2V bij verschillende sonicatieduren. Sonicatie verbetert de druksterkte aanzienlijk.
(onderzoek en grafiek: ©Ruirun et al., 2017)
De keramische sonotrode BS4D22L3C is een speciale sonotrode die geschikt is voor de sonicatie van vloeistoffen bij hoge temperaturen, zoals gesmolten aluminium (bijv. voor mengen en ontgassen).
Sonocapillair effect tijdens filtratie
Het ultrasone capillaire effect in vloeibare metalen is het drijvende effect voor de verwijdering van oxide-insluitingen tijdens de ultrasoon ondersteunde filtratie van smelten. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtratie wordt gebruikt om niet-metallische verontreinigingen uit de smelt te verwijderen. Tijdens de filtratie passeert de smelt verschillende filtermazen (bijv. van glasvezel) om ongewenste insluitingen af te scheiden. Hoe kleiner de maaswijdte, hoe beter het filtratieresultaat.
Onder normale omstandigheden kan de smelt niet door een tweelaags filter met een zeer kleine poriegrootte van 0,4–0,4mm stromen. Bij ultrasoon ondersteunde filtratie kan de smelt echter dankzij het sonocapillaire effect door de maasporiën stromen. In dit geval houden de filtercapillairen zelfs niet-metallische verontreinigingen van 1–10μm tegen. Door de verbeterde zuiverheid van de legering wordt de vorming van waterstofporiën bij de oxiden voorkomen, waardoor de vermoeiingssterkte van de legering toeneemt.
Eskin et al. (2014: 120ff.) hebben aangetoond dat ultrasone filtratie het mogelijk maakt de aluminiumlegeringen AA2024, AA7055 en AA7075 te zuiveren met meerlaagse glasvezelfilters (met tot 9 lagen) met maasporiën van 0,6×0,6mm. Wanneer het ultrasone filtratieproces wordt gecombineerd met de toevoeging van kiemvormende middelen, wordt tegelijkertijd korrelverfijning bereikt.
Ultrasone versterking van metaallegeringen
Ultrasone behandeling is aantoonbaar zeer effectief voor het gelijkmatig dispergeren van nanodeeltjes in suspensies. Daarom zijn ultrasone dispergeerapparaten de meest gebruikte apparatuur voor de productie van met nanodeeltjes versterkte composieten.
Nanodeeltjes (bijv. Al2O3/SiC, CNTs) worden gebruikt als versterkingsmateriaal. De nanodeeltjes worden aan de gesmolten legering toegevoegd en ultrasoon gedispergeerd. De akoestische cavitatie en akoestische streaming verbeteren de deagglomeratie en bevochtigbaarheid van de deeltjes, wat resulteert in een verbeterde treksterkte, vloeigrens en rek.
Ultrasone apparatuur voor zware toepassingen
De toepassing van ultrageluid met hoog vermogen in de metallurgie vereist robuuste, betrouwbare ultrasone systemen die in veeleisende omgevingen kunnen worden geïnstalleerd. Hielscher Ultrasonics levert ultrasone apparatuur van industriële kwaliteit voor installaties in zware toepassingen en ruwe omgevingen. Al onze sonicatoren zijn gebouwd voor 24/7-gebruik. De ultrasone systemen met hoog vermogen van Hielscher combineren robuustheid, betrouwbaarheid en nauwkeurige regelbaarheid.
Veeleisende processen – zoals de verfijning van metaalsmelten – vereisen de mogelijkheid om intense sonicatie toe te passen. De industriële ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics leveren zeer hoge amplitudes. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden toegepast bij 24/7-gebruik. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar.
Voor de sonicatie van vloeistoffen en smelten bij zeer hoge temperaturen biedt Hielscher diverse sonotroden en op maat gemaakte accessoires om optimale verwerkingsresultaten te garanderen.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 10 tot 2000mL | 20 tot 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 tot 20L | 0,2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 tot 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | hoger | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Stel ons uw vragen!
Literatuur/Referenties
- 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.
Wetenswaardigheden
Ultrageluid met hoog vermogen en cavitatie
Wanneer ultrasone golven met hoge intensiteit in vloeistoffen of suspensies worden gekoppeld, treedt het verschijnsel cavitatie op.
Ultrageluid met hoog vermogen en lage frequentie veroorzaakt op gecontroleerde wijze de vorming van cavitatiebellen in vloeistoffen en suspensies. Intense ultrasone golven genereren afwisselende lagedruk- en hogedrukcycli in de vloeistof. Deze snelle drukveranderingen genereren holtes, de zogeheten cavitatiebellen. Ultrasoon geïnduceerde cavitatiebellen kunnen worden beschouwd als chemische microreactoren die op microscopische schaal hoge temperaturen en drukken opleveren, waarbij actieve soorten zoals vrije radicalen uit opgeloste moleculen worden gevormd. Binnen de materiaalchemie heeft ultrasone cavitatie het unieke potentieel om plaatselijk reacties bij hoge temperaturen (tot 5000 K) en hoge drukken (500atm) te katalyseren, terwijl het systeem op macroscopische schaal nabij kamertemperatuur en omgevingsdruk blijft. (vgl. Skorb, Andreeva 2013)
Ultrasone behandelingen zijn voornamelijk gebaseerd op cavitatie-effecten. Voor de metallurgie is sonicatie een zeer voordelige techniek om het gieten van metalen en legeringen te verbeteren.
Naast de behandeling van metaalsmelten wordt sonicatie ook gebruikt om sponsachtige nanostructuren en nanopatronen te creëren op vaste metaaloppervlakken, zoals titanium en legeringen. Deze ultrasoon genanostructureerde onderdelen van titanium en legeringen hebben een groot potentieel als implantaten met verhoogde osteogene celproliferatie. Lees meer over ultrasone nanostructurering van titaniumimplantaten!