Ультразвуковое улучшение структуры металлических расплавов
- Мощный ультразвук оказывает различные благоприятные воздействия на расплавленные металлы и сплавы, такие как структурирование, дегазация и улучшение фильтрации.
- Обработка ультразвуком способствует недендритному затвердеванию жидких и полутвёрдых металлов.
- Обработка ультразвуком даёт значительные преимущества при измельчении дендритных зёрен и первичных интерметаллических частиц в микроструктуре.
- Кроме того, мощный ультразвук можно целенаправленно использовать для уменьшения пористости металла или получения мезопористых структур.
- И наконец, мощный ультразвук улучшает качество отливок.
Ультразвуковое затвердевание металлических расплавов
Формирование недендритных структур при затвердевании металлических расплавов влияет на такие свойства материала, как прочность, пластичность, вязкость и/или твёрдость.
Изменение зарождения зёрен под действием ультразвука: Акустическая кавитация и создаваемые ею интенсивные силы сдвига увеличивают количество центров зарождения и число зародышей в расплаве. Ультразвуковая обработка расплавов приводит к гетерогенному зарождению и фрагментации дендритов, благодаря чему конечный продукт отличается значительно более мелкозернистой структурой.
Ультразвуковая кавитация вызывает равномерное смачивание неметаллических примесей в расплаве. Эти примеси становятся центрами зарождения, служащими исходными точками затвердевания. Поскольку эти центры зарождения находятся перед фронтом затвердевания, рост дендритных структур не происходит.
Макроструктура сплава Ti после ультразвуковой обработки. Обработка ультразвуком приводит к формированию значительно более мелкозернистой структуры.
Доктор Андреева-Боймлер из Байройтского университета использует ультразвуковой аппарат UIP1000hdT для наноструктурирования металлов.
Влияние ультразвука на твёрдость сплава по Виккерсу: обработка ультразвуком повышает микротвёрдость металла по Виккерсу
(исследование и график: ©Ruirun et al., 2017)
Фрагментация дендритов: Плавление дендритов обычно начинается у основания вследствие локального повышения температуры и ликвации. Обработка ультразвуком создаёт в расплаве интенсивную конвекцию (перенос тепла за счёт перемещения массы текучей среды) и ударные волны, приводящие к фрагментации дендритов. Конвекция может способствовать фрагментации дендритов вследствие экстремальных локальных температур, а также изменений состава и способствует диффузии растворённого вещества. Кавитационные ударные волны способствуют разрушению этих плавящихся оснований.
Ультразвуковая дегазация металлических сплавов
Дегазация – ещё один важный эффект воздействия мощного ультразвука на жидкие и полутвёрдые металлы и сплавы. Акустическая кавитация создаёт чередующиеся циклы низкого и высокого давления. Во время циклов низкого давления в жидкости или суспензии возникают крошечные вакуумные пузырьки. Эти вакуумные пузырьки служат зародышами для образования пузырьков водорода и пара. В результате образования более крупных пузырьков водорода газовые пузырьки поднимаются вверх. Акустическое течение и потоки способствуют всплытию этих пузырьков на поверхность и их выходу из расплава, благодаря чему газ можно удалить, а его концентрация в расплаве снижается.
Ультразвуковая дегазация уменьшает пористость металла, обеспечивая тем самым более высокую плотность материала в конечном изделии из металла / сплава.
Ультразвуковая дегазация алюминиевых сплавов повышает предел прочности при растяжении и пластичность материала. Промышленные системы мощного ультразвука считаются лучшими среди других коммерческих методов дегазации по эффективности и времени обработки. Кроме того, благодаря снижению вязкости расплава улучшается заполнение литейной формы.
Свойства Ti44Al6Nb1Cr2V при сжатии в зависимости от продолжительности обработки ультразвуком. Обработка ультразвуком значительно повышает прочность при сжатии.
(исследование и график: ©Ruirun et al., 2017)
Керамический сонотрод BS4D22L3C – специальный сонотрод, подходящий для обработки ультразвуком высокотемпературных жидкостей, таких как расплавленный алюминий (например, для смешивания и дегазации).
Сонокапиллярный эффект при фильтрации
Ультразвуковой капиллярный эффект в жидких металлах является движущим фактором удаления оксидных включений при фильтрации расплавов с применением ультразвука. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Фильтрация используется для удаления неметаллических примесей из расплава. При фильтрации расплав проходит через различные сетки (например, из стекловолокна), чтобы отделить нежелательные включения. Чем меньше размер ячеек сетки, тем лучше результат фильтрации.
В обычных условиях расплав не может пройти через двухслойный фильтр с очень малым размером пор 0,4–0,4mm. Однако при фильтрации с применением ультразвука расплав получает возможность проходить через поры сетки благодаря сонокапиллярному эффекту. При этом капилляры фильтра задерживают даже неметаллические примеси размером 1–10μm. Благодаря повышенной чистоте сплава предотвращается образование водородных пор на оксидах, вследствие чего повышается усталостная прочность сплава.
Eskin et al. (2014: 120ff.) показали, что ультразвуковая фильтрация позволяет очищать алюминиевые сплавы AA2024, AA7055 и AA7075 с помощью многослойных стекловолоконных фильтров (до 9 слоёв) с размером ячеек 0,6×0,6mm. При сочетании ультразвуковой фильтрации с добавлением инокулянтов одновременно достигается измельчение зерна.
Ультразвуковое армирование металлических сплавов
Доказана высокая эффективность обработки ультразвуком для равномерного диспергирования наночастиц в суспензиях. Поэтому ультразвуковые диспергаторы являются наиболее распространённым оборудованием для получения композитов, армированных наночастицами.
Наночастицы (например, Al2O3/SiC, CNTs) используются в качестве армирующего материала. Наночастицы добавляют в расплавленный сплав и диспергируют ультразвуком. Акустическая кавитация и потоки улучшают деагломерацию и смачиваемость частиц, что приводит к повышению предела прочности при растяжении, предела текучести и относительного удлинения.
Ультразвуковое оборудование для работы в тяжёлых условиях
Применение мощного ультразвука в металлургии требует прочных и надёжных ультразвуковых систем, которые можно устанавливать в сложных условиях. Hielscher Ultrasonics поставляет ультразвуковое оборудование промышленного класса для установки в областях применения с высокими нагрузками и в суровых условиях. Все наши ультразвуковые аппараты рассчитаны на работу в режиме 24/7. Высокомощные ультразвуковые системы Hielscher сочетают прочность, надёжность и возможность точного управления.
Сложные процессы – такие как улучшение структуры металлических расплавов – требуют возможности интенсивной обработки ультразвуком. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics обеспечивают очень высокие амплитуды. Непрерывная работа с амплитудами до 200µm в режиме 24/7 обеспечивается без труда. Для ещё более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу.
Для обработки ультразвуком жидкостей и расплавов при очень высоких температурах Hielscher предлагает различные сонотроды и изготовленные по индивидуальному заказу принадлежности, обеспечивающие оптимальные результаты обработки.
Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов:
| Объём партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| от 10 до 2000mL | от 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| от 0,1 до 20L | от 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| от 10 до 100L | от 2 до 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | от 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | более высокий | группа устройств UIP16000 |
Свяжитесь с нами! / Задайте нам вопрос!
Литература/Источники
- 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.
Полезные сведения
Мощный ультразвук и кавитация
При передаче высокоинтенсивных ультразвуковых волн в жидкости или суспензии возникает явление кавитации .
Мощный низкочастотный ультразвук вызывает контролируемое образование кавитационных пузырьков в жидкостях и суспензиях. Интенсивные ультразвуковые волны создают в жидкости чередующиеся циклы низкого и высокого давления. Эти быстрые изменения давления создают полости, так называемые кавитационные пузырьки. Кавитационные пузырьки, возникающие под действием ультразвука, можно рассматривать как химические микрореакторы, обеспечивающие высокие температуры и давления на микроскопическом уровне, где из растворённых молекул образуются активные частицы, такие как свободные радикалы. В химии материалов ультразвуковая кавитация обладает уникальной способностью локально катализировать реакции при высокой температуре (до 5000 K) и высоком давлении (500atm), тогда как на макроскопическом уровне система остаётся близкой к комнатной температуре и давлению окружающей среды. (см. Skorb, Andreeva 2013)
Ультразвуковые обработки основаны преимущественно на кавитационных эффектах. В металлургии обработка ультразвуком является весьма эффективным методом улучшения литья металлов и сплавов.
Помимо обработки металлических расплавов, обработка ультразвуком также используется для создания губчатых наноструктур и нанорисунков на поверхностях твёрдых металлов, таких как титан и сплавы. Эти детали из титана и сплавов, наноструктурированные ультразвуком, обладают большим потенциалом для применения в качестве имплантатов с усиленной пролиферацией остеогенных клеток. Узнайте больше об ультразвуковом наноструктурировании титановых имплантатов!