Rafinarea cu ultrasunete a topiturilor metalice
- Ultrasunetele de putere în metalele și aliajele topite prezintă diverse efecte benefice, precum structurarea, degazarea și filtrarea îmbunătățită.
- Ultrasonicarea favorizează solidificarea nedendritică în metalele lichide și semisolide.
- Sonicarea are beneficii semnificative asupra rafinării microstructurale a grăunților dendritici și a particulelor intermetalice primare.
- În plus, ultrasunetele de putere pot fi utilizate în mod intenționat pentru a reduce porozitatea metalului sau pentru a produce structuri mezoporoase.
- Nu în ultimul rând, ultrasunetele de putere îmbunătățesc calitatea pieselor turnate.
Solidificarea cu ultrasunete a topiturilor metalice
Formarea structurilor nedendritice în timpul solidificării topiturilor metalice influențează proprietățile materialului, precum rezistența, ductilitatea, tenacitatea și/sau duritatea.
Germinarea grăunților modificată cu ultrasunete: Cavitația acustică și forțele sale intense de forfecare cresc numărul centrelor de germinare și numărul de germeni din topitură. Tratamentul cu ultrasunete al topiturilor are ca rezultat o germinare eterogenă și fragmentarea dendritelor, astfel încât produsul final prezintă o rafinare semnificativ mai mare a grăunților.
Cavitația ultrasonică determină umectarea uniformă a impurităților nemetalice din topitură. Aceste impurități devin centre de germinare, care reprezintă punctele de pornire ale solidificării. Deoarece aceste puncte de germinare se află înaintea frontului de solidificare, creșterea structurilor dendritice nu are loc.
Macrostructura aliajului de Ti după tratamentul cu ultrasunete. Ultrasonicarea are ca rezultat o structură a grăunților semnificativ rafinată.
Dr. Andreeva-Bäumler, de la Universitatea din Bayreuth, lucrează cu ultrasonicatorul UIP1000hdT la nanostructurarea metalelor.
Efectele ultrasunetelor asupra durității Vickers a aliajului: ultrasonicarea îmbunătățește microduritatea Vickers a metalului
(studiu și grafic: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentarea dendritelor: Topirea dendritelor începe de obicei la rădăcină, din cauza creșterii locale a temperaturii și a segregării. Sonicarea generează o convecție puternică (transfer de căldură prin mișcarea de masă a unui fluid) și unde de șoc în topitură, astfel încât dendritele sunt fragmentate. Convecția poate favoriza fragmentarea dendritelor datorită temperaturilor locale extreme, precum și variațiilor de compoziție, și favorizează difuzia solutului. Undele de șoc generate de cavitație contribuie la ruperea acestor rădăcini aflate în curs de topire.
Degazarea cu ultrasunete a aliajelor metalice
Degazarea este un alt efect important al ultrasunetelor de putere asupra metalelor și aliajelor lichide și semisolide. Cavitația acustică creează cicluri alternante de presiune joasă / presiune înaltă. În timpul ciclurilor de presiune joasă, în lichid sau în suspensie apar bule minuscule de vid. Aceste bule de vid acționează ca nuclee pentru formarea bulelor de hidrogen și de vapori. Datorită formării unor bule de hidrogen mai mari, bulele de gaz se ridică. Fluxul acustic și curenții acustici favorizează ridicarea acestor bule la suprafață și ieșirea lor din topitură, astfel încât gazul poate fi îndepărtat, iar concentrația de gaz din topitură este redusă.
Degazarea cu ultrasunete reduce porozitatea metalului, obținându-se astfel o densitate mai mare a materialului în produsul final din metal / aliaj.
Degazarea cu ultrasunete a aliajelor de aluminiu crește rezistența la rupere la tracțiune și ductilitatea materialului. Sistemele industriale cu ultrasunete de putere sunt considerate cele mai bune în comparație cu alte metode comerciale de degazare în ceea ce privește eficacitatea și durata procesării. Mai mult, procesul de umplere a matriței este îmbunătățit datorită vâscozității mai scăzute a topiturii.
Proprietățile la compresiune ale Ti44Al6Nb1Cr2V la diferite durate de sonicare. Sonicarea îmbunătățește semnificativ rezistența la compresiune.
(studiu și grafic: ©Ruirun et al., 2017)
Sonotroda ceramică BS4D22L3C este o sonotrodă specială, adecvată pentru sonicarea lichidelor la temperaturi înalte, precum aluminiul topit (de ex. pentru amestecare și degazare).
Efectul sonocapilar în timpul filtrării
Efectul capilar ultrasonic din metalele lichide este efectul determinant pentru îndepărtarea incluziunilor de oxizi în timpul filtrării topiturilor asistate cu ultrasunete. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtrarea este utilizată pentru a îndepărta impuritățile nemetalice din topitură. În timpul filtrării, topitura trece prin diverse site (de ex. din fibră de sticlă) pentru a separa incluziunile nedorite. Cu cât dimensiunea ochiurilor este mai mică, cu atât rezultatul filtrării este mai bun.
În condiții obișnuite, topitura nu poate trece printr-un filtru cu două straturi cu o dimensiune foarte mică a porilor, de 0,4–0,4mm. Totuși, în cazul filtrării asistate cu ultrasunete, topitura poate trece prin porii sitei datorită efectului sonocapilar. În acest caz, capilarele filtrului rețin chiar și impurități nemetalice de 1–10μm. Datorită purității sporite a aliajului, se evită formarea porilor de hidrogen la nivelul oxizilor, astfel încât rezistența la oboseală a aliajului crește.
Eskin et al. (2014: 120ff.) au arătat că filtrarea cu ultrasunete face posibilă purificarea aliajelor de aluminiu AA2024, AA7055 și AA7075 folosind filtre multistrat din fibră de sticlă (cu până la 9 straturi) cu pori ai sitei de 0,6×0,6mm. Atunci când procesul de filtrare cu ultrasunete este combinat cu adăugarea de inoculanți, se obține simultan o rafinare a grăunților.
Ranforsarea cu ultrasunete a aliajelor metalice
S-a demonstrat că ultrasonicarea este foarte eficientă în dispersarea uniformă a nanoparticulelor în suspensii. Prin urmare, dispersoarele cu ultrasunete sunt echipamentele cele mai utilizate pentru producerea compozitelor nanoranforsate.
Nanoparticulele (de ex. Al2O3/SiC, CNT) sunt utilizate ca material de ranforsare. Nanoparticulele sunt adăugate în aliajul topit și dispersate cu ultrasunete. Cavitația acustică și curenții acustici îmbunătățesc dezaglomerarea și umectabilitatea particulelor, având ca rezultat o rezistență la tracțiune, o limită de curgere și o alungire îmbunătățite.
Echipamente cu ultrasunete pentru aplicații de mare solicitare
Aplicarea ultrasunetelor de putere în metalurgie necesită sisteme cu ultrasunete robuste și fiabile, care pot fi instalate în medii solicitante. Hielscher Ultrasonics furnizează echipamente cu ultrasunete de nivel industrial pentru instalații în aplicații de mare solicitare și în medii dificile. Toate ultrasonicatoarele noastre sunt construite pentru funcționare 24/7. Sistemele cu ultrasunete de mare putere Hielscher îmbină robustețea, fiabilitatea și controlabilitatea precisă.
Procesele solicitante – precum rafinarea topiturilor metalice – necesită capacitatea de sonicare intensă. Procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher Ultrasonics furnizează amplitudini foarte mari. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în regim continuu, în funcționare 24/7. Pentru amplitudini și mai mari, sunt disponibile sonotrode cu ultrasunete personalizate.
Pentru sonicarea la temperaturi foarte ridicate ale lichidelor și topiturilor, Hielscher oferă diverse sonotrode și accesorii personalizate pentru a asigura rezultate optime ale procesării.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:
| Volumul lotului | Debit | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 10 până la 2000mL | 20 până la 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 până la 20L | 0,2 până la 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 până la 100L | 2 până la 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 până la 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | mai mare | cluster de UIP16000 |
Contactați-ne! / Întrebați-ne!
Literatură/Referințe
- 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.
Informații utile
Ultrasunetele de putere și cavitația
Atunci când unde ultrasonice de mare intensitate sunt cuplate în lichide sau suspensii, fenomenul de cavitație se produce.
Ultrasunetele de mare putere și joasă frecvență determină formarea bulelor de cavitație în lichide și suspensii într-un mod controlat. Undele ultrasonice intense generează în lichid cicluri alternante de presiune joasă / presiune înaltă. Aceste schimbări rapide de presiune generează goluri, așa-numitele bule de cavitație. Bulele de cavitație induse ultrasonic pot fi considerate microreactoare chimice care furnizează temperaturi și presiuni ridicate la scară microscopică, unde are loc formarea speciilor active, precum radicalii liberi, din molecule dizolvate. În contextul chimiei materialelor, cavitația ultrasonică are potențialul unic de a cataliza local reacții la temperatură înaltă (până la 5000 K) și la presiune înaltă (500atm), în timp ce sistemul rămâne, la nivel macroscopic, aproape de temperatura camerei și de presiunea ambiantă. (cf. Skorb, Andreeva 2013)
Tratamentele cu ultrasunete se bazează în principal pe efectele cavitaționale. Pentru metalurgie, sonicarea este o tehnică foarte avantajoasă pentru îmbunătățirea turnării metalelor și aliajelor.
Pe lângă tratarea topiturilor metalice, sonicarea este utilizată și pentru a crea nanostructuri de tip burete și nanomodele pe suprafețe metalice solide, precum titanul și aliajele. Aceste piese din titan și aliaje nanostructurate cu ultrasunete prezintă o mare capacitate de a servi ca implanturi, cu o proliferare îmbunătățită a celulelor osteogene. Citiți mai multe despre nanostructurarea cu ultrasunete a implanturilor din titan!