Ultradźwiękowe uszlachetnianie ciekłych metali
- Ultradźwięki dużej mocy wywołują w stopionych metalach i stopach różne korzystne efekty, takie jak kształtowanie struktury, odgazowanie i poprawa filtracji.
- Sonikacja sprzyja krzepnięciu bez tworzenia dendrytów w metalach ciekłych i półstałych.
- Sonikacja przynosi znaczące korzyści w zakresie rozdrobnienia mikrostruktury ziaren dendrytycznych i pierwotnych cząstek międzymetalicznych.
- Ponadto ultradźwięki dużej mocy można stosować w sposób ukierunkowany w celu zmniejszenia porowatości metalu lub wytwarzania struktur mezoporowatych.
- Co równie istotne, ultradźwięki dużej mocy poprawiają jakość odlewów.
Ultradźwiękowe krzepnięcie ciekłych metali
Powstawanie struktur niedendrytycznych podczas krzepnięcia ciekłych metali wpływa na właściwości materiału, takie jak wytrzymałość, ciągliwość, odporność na pękanie i/lub twardość.
Zarodkowanie ziaren modyfikowane ultradźwiękami: Kawitacja akustyczna i towarzyszące jej intensywne siły ścinania zwiększają liczbę miejsc zarodkowania oraz liczbę zarodków w ciekłym metalu. Obróbka ultradźwiękowa ciekłych metali prowadzi do zarodkowania heterogenicznego i fragmentacji dendrytów, dzięki czemu produkt końcowy wykazuje znacznie większy stopień rozdrobnienia ziaren.
Kawitacja ultradźwiękowa powoduje równomierne zwilżanie zanieczyszczeń niemetalicznych w ciekłym metalu. Zanieczyszczenia te stają się miejscami zarodkowania, które stanowią punkty początkowe krzepnięcia. Ponieważ te miejsca zarodkowania znajdują się przed frontem krzepnięcia, nie dochodzi do wzrostu struktur dendrytycznych.
Makrostruktura stopu Ti po obróbce ultradźwiękowej. Sonikacja prowadzi do znacznego rozdrobnienia struktury ziarnistej.
Dr Andreeva-Bäumler z Uniwersytetu w Bayreuth pracuje nad nanostrukturyzacją metali przy użyciu sonikatora UIP1000hdT.
Wpływ ultradźwięków na twardość stopu według Vickersa: sonikacja zwiększa mikrotwardość metalu według Vickersa
(badanie i grafika: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentacja dendrytów: Topienie dendrytów zwykle rozpoczyna się u ich nasady wskutek lokalnego wzrostu temperatury i segregacji. Sonikacja wywołuje w ciekłym metalu silną konwekcję (przenoszenie ciepła przez ruch masy płynu) i fale uderzeniowe, powodując fragmentację dendrytów. Konwekcja może sprzyjać fragmentacji dendrytów wskutek skrajnych temperatur lokalnych oraz zmian składu, a także wspomaga dyfuzję substancji rozpuszczonej. Kawitacyjne fale uderzeniowe wspomagają odłamywanie tych topiących się nasad.
Ultradźwiękowe odgazowanie stopów metali
Odgazowanie jest kolejnym istotnym efektem oddziaływania ultradźwięków dużej mocy na ciekłe i półstałe metale oraz stopy. Kawitacja akustyczna wytwarza naprzemienne cykle niskiego / wysokiego ciśnienia. Podczas cykli niskiego ciśnienia w cieczy lub zawiesinie powstają drobne pęcherzyki próżniowe. Pęcherzyki te stanowią zarodki powstawania pęcherzyków wodoru i pary. Wskutek powstawania większych pęcherzyków wodoru pęcherzyki gazu unoszą się. Przepływ akustyczny i strumieniowanie akustyczne wspomagają unoszenie się tych pęcherzyków ku powierzchni i ich wydostawanie się z ciekłego metalu, dzięki czemu gaz można usunąć, a jego stężenie w ciekłym metalu ulega zmniejszeniu.
Odgazowanie ultradźwiękowe zmniejsza porowatość metalu, pozwalając tym samym uzyskać większą gęstość materiału w końcowym wyrobie z metalu / stopu.
Ultradźwiękowe odgazowanie stopów aluminium zwiększa wytrzymałość na rozciąganie i ciągliwość materiału. Przemysłowe systemy ultradźwiękowe dużej mocy są uznawane za najlepsze w porównaniu z innymi komercyjnymi metodami odgazowania pod względem skuteczności i czasu obróbki. Ponadto mniejsza lepkość ciekłego metalu usprawnia proces wypełniania formy.
Właściwości Ti44Al6Nb1Cr2V przy ściskaniu dla różnych czasów sonikacji. Sonikacja znacznie zwiększa wytrzymałość na ściskanie.
(badanie i grafika: ©Ruirun et al., 2017)
Ceramiczna sonotroda BS4D22L3C to specjalna sonotroda odpowiednia do sonikacji cieczy o wysokiej temperaturze, takich jak stopione aluminium (np. do mieszania i odgazowania).
Efekt sonokapilarny podczas filtracji
Ultradźwiękowy efekt kapilarny w ciekłych metalach jest zjawiskiem umożliwiającym usuwanie wtrąceń tlenkowych podczas filtracji ciekłych metali wspomaganej ultradźwiękami. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtracja służy do usuwania zanieczyszczeń niemetalicznych z ciekłego metalu. Podczas filtracji ciekły metal przepływa przez różne siatki filtracyjne (np. z włókna szklanego), aby oddzielić niepożądane wtrącenia. Im mniejszy rozmiar oczek, tym lepszy wynik filtracji.
W zwykłych warunkach ciekły metal nie może przepłynąć przez dwuwarstwowy filtr o bardzo małym rozmiarze porów wynoszącym 0,4–0,4mm. Jednak podczas filtracji wspomaganej ultradźwiękami efekt sonokapilarny umożliwia ciekłemu metalowi przepływ przez pory siatki. W takim przypadku kapilary filtra zatrzymują nawet zanieczyszczenia niemetaliczne o rozmiarach 1–10μm. Dzięki zwiększonej czystości stopu unika się powstawania porów wodorowych przy tlenkach, co zwiększa wytrzymałość zmęczeniową 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) o rozmiarze oczek 0,6×0,6mm. Połączenie procesu filtracji ultradźwiękowej z dodatkiem modyfikatorów zarodkowania pozwala jednocześnie uzyskać rozdrobnienie ziaren.
Ultradźwiękowe wzmacnianie stopów metali
Wykazano, że sonikacja jest wysoce skuteczna w równomiernym dyspergowaniu nanocząstek w zawiesinach. Dlatego dyspergatory ultradźwiękowe są najczęściej stosowanymi urządzeniami do wytwarzania kompozytów wzmacnianych nanocząstkami.
Nanocząstki (np. Al2O3/SiC, CNTs) są stosowane jako materiał wzmacniający. Nanocząstki dodaje się do stopionego stopu i dysperguje ultradźwiękowo. Kawitacja akustyczna i strumieniowanie akustyczne poprawiają deaglomerację i zwilżalność cząstek, co prowadzi do zwiększenia wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności i wydłużenia.
Urządzenia ultradźwiękowe do zastosowań w trudnych warunkach
Zastosowanie ultradźwięków dużej mocy w metalurgii wymaga wytrzymałych, niezawodnych systemów ultradźwiękowych, które można instalować w wymagających środowiskach. Hielscher Ultrasonics dostarcza urządzenia ultradźwiękowe klasy przemysłowej do instalacji w zastosowaniach o dużym obciążeniu i w trudnych warunkach. Wszystkie nasze sonikatory są przystosowane do pracy w trybie 24/7. Systemy ultradźwiękowe dużej mocy Hielscher łączą wytrzymałość, niezawodność i możliwość precyzyjnego sterowania.
Wymagające procesy – takie jak uszlachetnianie ciekłych metali – wymagają możliwości prowadzenia intensywnej sonikacji. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics zapewniają bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać podczas ciągłej pracy w trybie 24/7. Do uzyskiwania jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do indywidualnych potrzeb.
Do sonikacji cieczy i ciekłych metali w bardzo wysokich temperaturach Hielscher oferuje różne sonotrody i akcesoria dostosowane do indywidualnych potrzeb, aby zapewnić optymalne wyniki obróbki.
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:
| Objętość partii | Natężenie przepływu | Zalecane urządzenia |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | większe | zespół urządzeń UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Literatura / Źródła
- 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.
Warto wiedzieć
Ultradźwięki dużej mocy i kawitacja
Gdy fale ultradźwiękowe o dużej intensywności są wprowadzane do cieczy lub zawiesin, występuje zjawisko kawitacji .
Ultradźwięki o dużej mocy i niskiej częstotliwości powodują kontrolowane powstawanie pęcherzyków kawitacyjnych w cieczach i zawiesinach. Intensywne fale ultradźwiękowe wytwarzają w cieczy naprzemienne cykle niskiego / wysokiego ciśnienia. Te szybkie zmiany ciśnienia tworzą puste przestrzenie, tak zwane pęcherzyki kawitacyjne. Pęcherzyki kawitacyjne wywołane ultradźwiękami można traktować jako mikroreaktory chemiczne zapewniające wysokie temperatury i ciśnienia w skali mikroskopowej, w których z rozpuszczonych cząsteczek powstają aktywne formy chemiczne, takie jak wolne rodniki. W kontekście chemii materiałów kawitacja ultradźwiękowa ma wyjątkowy potencjał lokalnego katalizowania reakcji wysokotemperaturowych (do 5000 K) i wysokociśnieniowych (500atm), podczas gdy w skali makroskopowej układ pozostaje w warunkach zbliżonych do temperatury pokojowej i ciśnienia otoczenia. (por. Skorb, Andreeva 2013)
Obróbka ultradźwiękowa opiera się głównie na efektach kawitacyjnych. W metalurgii sonikacja jest bardzo korzystną techniką usprawniania odlewania metali i stopów.
Oprócz obróbki ciekłych metali sonikację stosuje się również do tworzenia gąbczastych nanostruktur i nanowzorów na powierzchniach metali w stanie stałym, takich jak tytan i stopy. Takie elementy z tytanu i stopów, poddane ultradźwiękowej nanostrukturyzacji, wykazują duży potencjał jako implanty zapewniające zwiększoną proliferację komórek osteogennych. Przeczytaj więcej o ultradźwiękowej nanostrukturyzacji implantów tytanowych!