Ultradźwiękowe uszlachetnianie stopów metali
- Ultradźwięki mocy w stopionych metalach i stopach wykazują różne korzystne efekty, takie jak strukturyzacja, odgazowanie i ulepszona filtracja.
- Ultradźwięki sprzyjają krzepnięciu niedendrytycznemu w ciekłych i półstałych metalach.
- Sonikacja ma znaczący wpływ na mikrostrukturalne udoskonalenie ziaren dendrytycznych i pierwotnych cząstek międzymetalicznych.
- Co więcej, ultradźwięki mocy mogą być stosowane celowo w celu zmniejszenia porowatości metalu lub wytworzenia struktur mezoporowatych.
- Wreszcie, ultradźwięki mocy poprawiają jakość odlewów.
Ultradźwiękowe krzepnięcie stopionych metali
Tworzenie się struktur niedendrytycznych podczas krzepnięcia stopionych metali wpływa na właściwości materiału, takie jak wytrzymałość, plastyczność, ciągliwość i/lub twardość.
Zarodkowanie ziaren zmienione ultradźwiękami: Kawitacja akustyczna i jej intensywne siły ścinające zwiększają miejsca zarodkowania i liczbę jąder w stopie. Ultradźwiękowa obróbka stopów powoduje heterogeniczne zarodkowanie i fragmentację dendrytów, dzięki czemu produkt końcowy wykazuje znacznie wyższe rozdrobnienie ziarna.
Kawitacja ultradźwiękowa powoduje równomierne zwilżanie niemetalicznych zanieczyszczeń w stopie. Zanieczyszczenia te zamieniają się w miejsca zarodkowania, które są punktami początkowymi krzepnięcia. Ponieważ te punkty zarodkowania znajdują się przed frontem krzepnięcia, wzrost struktur dendrytycznych nie występuje.
Makrostruktura stopu Ti po obróbce ultradźwiękowej. Ultradźwięki skutkują znacznie udoskonaloną strukturą ziarna.
Dr Andreeva-Bäumler z Uniwersytetu w Bayreuth pracuje z ultradźwiękowcem UIP1000hdT nad nanostrukturyzacją metali.
Wpływ ultradźwięków na twardość stopu Vickera: Ultrasonikacja poprawia mikrotwardość Vickersa w metalu
(badanie i grafika: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentacja dendrytów: Topienie dendrytów zwykle rozpoczyna się u nasady z powodu lokalnego wzrostu temperatury i segregacji. Sonikacja generuje silną konwekcję (przenoszenie ciepła przez ruch masy płynu) i fale uderzeniowe w stopionym materiale, dzięki czemu dendryty ulegają fragmentacji. Konwekcja może sprzyjać fragmentacji dendrytów z powodu ekstremalnych temperatur lokalnych, a także zmian składu i sprzyja dyfuzji substancji rozpuszczonej. Kawitacyjne fale uderzeniowe wspomagają łamanie topniejących korzeni.
Ultradźwiękowe odgazowanie stopów metali
Odgazowanie jest kolejnym ważnym efektem ultradźwięków mocy na ciekłych i półstałych metali i stopów. Kawitacja akustyczna tworzy naprzemienne cykle niskiego ciśnienia / wysokiego ciśnienia. Podczas cykli niskiego ciśnienia w cieczy lub zawiesinie pojawiają się małe pęcherzyki próżniowe. Te pęcherzyki próżniowe działają jako zarodki do tworzenia się pęcherzyków wodoru i pary. Ze względu na tworzenie się większych pęcherzyków wodoru, pęcherzyki gazu unoszą się. Przepływ akustyczny i strumieniowanie wspomagają unoszenie się tych pęcherzyków na powierzchnię i ze stopionego materiału, dzięki czemu gaz może zostać usunięty, a stężenie gazu w stopionym materiale zmniejszone.
Odgazowanie ultradźwiękowe zmniejsza porowatość metalu, osiągając w ten sposób wyższą gęstość materiału w końcowym produkcie metalowym / stopowym.
Ultradźwiękowe odgazowanie stopów aluminium zwiększa wytrzymałość na rozciąganie i plastyczność materiału. Przemysłowe systemy ultradźwiękowe liczą się jako najlepsze wśród innych komercyjnych metod odgazowywania pod względem skuteczności i czasu przetwarzania. Co więcej, proces napełniania formy jest ulepszony ze względu na niższą lepkość stopu.
Właściwości ściskające Ti44Al6Nb1Cr2V w różnych czasach sonikacji. Sonikacja znacznie poprawia wytrzymałość na ściskanie.
(badanie i grafika: ©Ruirun et al., 2017)
Sonotroda ceramiczna BS4D22L3C to specjalna sonotroda odpowiednia do sonikacji cieczy o wysokiej temperaturze, takich jak stopione aluminium (np. do mieszania i odgazowywania).
Efekt sonokapilarny podczas filtracji
Ultradźwiękowy efekt kapilarny w ciekłych metalach jest efektem napędowym do usuwania wtrąceń tlenkowych podczas wspomaganej ultradźwiękami filtracji stopów. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtracja służy do usuwania zanieczyszczeń niemetalicznych ze stopu. Podczas filtracji stop przechodzi przez różne oczka (np. włókno szklane), aby oddzielić niepożądane wtrącenia. Im mniejszy rozmiar oczek, tym lepszy wynik filtracji.
W typowych warunkach stopiony materiał nie może przejść przez dwuwarstwowy filtr o bardzo wąskim rozmiarze porów 0,4-0,4 mm. Jednak przy filtracji wspomaganej ultradźwiękami stopiony materiał może przejść przez pory siatki dzięki efektowi sonokapilarnemu. W tym przypadku kapilary filtra zatrzymują nawet niemetaliczne zanieczyszczenia o wielkości 1-10 μm. Ze względu na zwiększoną czystość stopu unika się tworzenia porów wodoru w tlenkach, dzięki czemu zwiększa się wytrzymałość zmęczeniowa stopu.
Eskin et al. (2014: 120ff.) wykazali, że filtracja ultradźwiękowa umożliwia oczyszczanie stopów aluminium AA2024, AA7055 i AA7075 przy użyciu wielowarstwowych filtrów z włókna szklanego (z maksymalnie 9 warstwami) z 0.6×0.6 mm oczek. Gdy proces filtracji ultradźwiękowej jest połączony z dodatkiem inokulantów, uzyskuje się jednoczesne rozdrobnienie ziarna.
Ultradźwiękowe wzmocnienie stopów metali
Udowodniono, że ultradźwięki są bardzo skuteczne w równomiernym rozpraszaniu nanocząstek w zawiesinach. Dlatego też dyspergatory ultradźwiękowe są najczęściej stosowanym sprzętem do produkcji kompozytów wzmocnionych nanocząstkami.
Nanocząsteczki (np. Al2O3/SiC, CNT) są stosowane jako materiał wzmacniający. Nanocząstki są dodawane do stopionego stopu i rozpraszane ultradźwiękowo. Akustyczna kawitacja i strumieniowanie poprawia deaglomerację i zwilżalność cząstek, co skutkuje lepszą wytrzymałością na rozciąganie, granicą plastyczności i wydłużeniem.
Sprzęt ultradźwiękowy do ciężkich zastosowań
Zastosowanie ultradźwięków mocy w metalurgii wymaga solidnych, niezawodnych systemów ultradźwiękowych, które mogą być instalowane w wymagających środowiskach. Hielscher Ultrasonics dostarcza przemysłowy sprzęt ultradźwiękowy do instalacji w ciężkich zastosowaniach i trudnych warunkach. Wszystkie nasze ultradźwięki są zbudowane do pracy 24/7. Systemy ultradźwiękowe Hielscher o dużej mocy są połączone z solidnością, niezawodnością i precyzyjną kontrolą.
Wymagające procesy – takich jak rafinacja stopionych metali – wymagają możliwości intensywnej sonikacji. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics zapewniają bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe.
Do sonikacji bardzo wysokich temperatur cieczy i stopu, Hielscher oferuje różne sonotrody i dostosowane akcesoria, aby zapewnić optymalne wyniki przetwarzania.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000 |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Literatura/Referencje
- 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.
Fakty, które warto znać
Ultradźwięki i kawitacja
Gdy fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności są sprzężone z cieczami lub zawiesinami, zjawisko kawitacja występuje.
Ultradźwięki o wysokiej mocy i niskiej częstotliwości powodują powstawanie pęcherzyków kawitacyjnych w cieczach i zawiesinach w kontrolowany sposób. Intensywne fale ultradźwiękowe generują naprzemienne cykle niskiego ciśnienia / wysokiego ciśnienia w cieczy. Te szybkie zmiany ciśnienia generują puste przestrzenie, tak zwane pęcherzyki kawitacyjne. Wywołane ultradźwiękami pęcherzyki kawitacyjne można uznać za mikroreaktory chemiczne zapewniające wysokie temperatury i ciśnienia w skali mikroskopowej, w których dochodzi do powstawania aktywnych gatunków, takich jak wolne rodniki z rozpuszczonych cząsteczek. W kontekście chemii materiałowej kawitacja ultradźwiękowa ma unikalny potencjał lokalnego katalizowania reakcji wysokotemperaturowych (do 5000 K) i wysokociśnieniowych (500atm), podczas gdy system pozostaje makroskopowo w pobliżu temperatury pokojowej i ciśnienia otoczenia. (por. Skorb, Andreeva 2013)
Obróbka ultradźwiękowa opiera się głównie na efektach kawitacyjnych. W przypadku metalurgii sonikacja jest bardzo korzystną techniką poprawiającą odlewanie metali i stopów.
Oprócz obróbki stopów metali, sonikacja jest również wykorzystywana do tworzenia gąbczastych nanostruktur i nano-wzorów na stałych powierzchniach metalowych, takich jak tytan i stopy. Te ultradźwiękowo nanostrukturalne części tytanowe i stopowe wykazują dużą zdolność jako implanty o zwiększonej proliferacji komórek osteogennych. Przeczytaj więcej o ultradźwiękowej nanostrukturyzacji tytanowych implantów!