Ультразвуковое измельчение металлических расплавов
- Силовой ультразвук в расплавленных металлах и сплавах показывает различные полезные эффекты, такие как структурирование, дегазация и улучшенная фильтрация.
- Ультразвуковое исследование способствует недендритному затвердеванию в жидких и полутвердых металлах.
- Ультразвуковая обработка имеет значительные преимущества для микроструктурного измельчения дендритных зерен и первичных интерметаллических частиц.
- Кроме того, силовой ультразвук может быть целенаправленно использован для уменьшения пористости металла или для создания мезопористых структур.
- И последнее, но не менее важное: мощный ультразвук улучшает качество отливок.
Ультразвуковое затвердевание металлических расплавов
Образование недендритных структур во время затвердевания металлических расплавов влияет на такие свойства материала, как прочность, пластичность, ударная вязкость и/или твердость.
Зарождение зерна с ультразвуковым изменением: Акустическая кавитация и ее интенсивные силы сдвига увеличивают участки зарождения и количество ядер в расплаве. Ультразвуковая обработка расплавов приводит к гетерогенной зародышеобразованию и фрагментации дендритов, в результате чего конечный продукт демонстрирует значительно более высокую степень измельчения зерна.
Ультразвуковая кавитация приводит к равномерному смачиванию неметаллических примесей в расплаве. Эти примеси превращаются в центры зародышеобразования, которые являются отправными точками затвердевания. Поскольку эти точки зарождения находятся впереди фронта затвердевания, рост дендритных структур не происходит.
Макроструктура титанового сплава после ультразвуковой обработки. Ультразвуковая обработка приводит к значительному уточнению структуры зерна.
Д-р Андреева-Боймлер из Байройтского университета работает с ультразвуковым аппаратом UIP1000hdT над наноструктурированием металлов.
Ультразвуковое воздействие на твердость сплава по Виккеру: ультразвук улучшает микротвердость металла по Виккерсу
(исследование и график: ©Ruirun et al., 2017)
Фрагментация дендритов: Плавление дендритов обычно начинается в корне из-за локального повышения температуры и сегрегации. Ультразвуковая обработка создает сильную конвекцию (перенос тепла за счет массового движения жидкости) и ударные волны в расплаве, так что дендриты фрагментируются. Конвекция может способствовать фрагментации дендритов из-за экстремальных локальных температур, а также изменений состава и способствует диффузии растворенного вещества. Кавитационные ударные волны способствуют поломке этих плавящихся корней.
Ультразвуковая дегазация металлических сплавов
Дегазация является еще одним важным эффектом силового ультразвука на жидкие и полутвердые металлы и сплавы. Акустическая кавитация создает чередование циклов низкого и высокого давления. Во время циклов низкого давления в жидкости или суспензии образуются крошечные пузырьки вакуума. Эти вакуумные пузырьки действуют как ядра для образования пузырьков водорода и пара. Из-за образования более крупных пузырьков водорода пузырьки газа поднимаются вверх. Акустический поток и струя способствуют всплытию этих пузырьков на поверхность и из расплава, так что газ может быть удален, а концентрация газа в расплаве снижена.
Ультразвуковая дегазация снижает пористость металла, достигая тем самым более высокой плотности материала в конечном продукте металл/сплав.
Ультразвуковая дегазация алюминиевых сплавов повышает предел прочности на разрыв и пластичность материала. Промышленные энергетические ультразвуковые системы считаются лучшими среди других коммерческих методов дегазации с точки зрения эффективности и времени обработки. Кроме того, улучшается процесс заполнения формы за счет более низкой вязкости расплава.
Компрессионные свойства Ti44Al6Nb1Cr2V при различных временах ультразвука. Ультразвуковая обработка значительно повышает прочность на сжатие.
(исследование и график: ©Ruirun et al., 2017)
Керамический сонотрод BS4D22L3C — это специальный сонотрод, подходящий для ультразвуковой обработки высокотемпературных жидкостей, таких как расплавленный алюминий (например, для смешивания и дегазации).
Сонокапиллярный эффект при фильтрации
Ультразвуковой капиллярный эффект в жидких металлах является движущим эффектом для удаления оксидных включений при ультразвуковой фильтрации расплавов. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Фильтрация используется для удаления неметаллических примесей из расплава. Во время фильтрации расплав проходит через различные сетки (например, стекловолокно) для отделения нежелательных включений. Чем меньше размер ячеек, тем лучше результат фильтрации.
В обычных условиях расплав не может пройти через двухслойный фильтр с очень узкими порами размером 0,4-0,4 мм. Однако при ультразвуковой фильтрации расплав может проходить через поры сетки благодаря сонокапиллярному эффекту. В этом случае капилляры фильтра задерживают даже неметаллические примеси размером 1–10 мкм. Благодаря повышенной чистоте сплава исключается образование водородных пор на окислах, благодаря чему повышается усталостная прочность сплава.
Eskin et al. (2014: 120ff.) показали, что ультразвуковая фильтрация позволяет очищать алюминиевые сплавы AA2024, AA7055 и AA7075 с помощью многослойных фильтров из стекловолокна (до 9 слоев) с содержанием 0,6×0Сетчатые поры .6 мм. Когда процесс ультразвуковой фильтрации сочетается с добавлением модификаторов, достигается одновременная измельченность зерна.
Ультразвуковое армирование металлических сплавов
Доказано, что ультразвук обладает высокой эффективностью для равномерного диспергирования наночастиц в суспензии. Поэтому ультразвуковые диспергаторы являются наиболее распространенным оборудованием для производства наноармированных композитов.
Наночастицы (например, Al2O3/SiC, CNT) используются в качестве армирующего материала. Наночастицы добавляются в расплавленный сплав и диспергируются ультразвуком. Акустическая кавитация и струя улучшают деагломерацию и смачиваемость частиц, что приводит к повышению прочности на разрыв, предел текучести и удлинение.
Ультразвуковое оборудование для тяжелых условий эксплуатации
Применение силового ультразвука в металлургии требует прочных и надежных ультразвуковых систем, которые могут быть установлены в сложных условиях. Hielscher Ultrasonics поставляет промышленное ультразвуковое оборудование для установок в тяжелых условиях эксплуатации и в суровых условиях. Все наши ультразвуковые аппараты рассчитаны на работу в режиме 24/7. Ультразвуковые системы Hielscher высокой мощности сочетаются с прочностью, надежностью и точностью управления.
Сложные процессы – такие как рафинирование металлических расплавов – требуют возможности интенсивной ультразвуковой обработки. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics обеспечивают очень высокую амплитуду. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды.
Для ультразвуковой обработки очень высоких температур жидкости и расплава компания Hielscher предлагает различные сонотроды и индивидуальные аксессуары для обеспечения оптимальных результатов обработки.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
| От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | UIP4000 |
| н.а. | От 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| н.а. | больше | Кластер UIP16000 |
Свяжитесь с нами! / Спросите нас!
Литература/Литература
- 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.
Факты, которые стоит знать
Силовой ультразвук и кавитация
Когда высокоинтенсивные ультразвуковые волны соединяются с жидкостями или суспензиями, возникает явление кавитация Возникает.
Ультразвук высокой мощности и низкой частоты вызывает образование кавитационных пузырьков в жидкостях и суспензиях контролируемым образом. Интенсивные ультразвуковые волны генерируют в жидкости чередование циклов низкого и высокого давления. Эти быстрые изменения давления создают пустоты, так называемые кавитационные пузырьки. Пузырьки кавитации, индуцированные ультразвуком, можно рассматривать как химические микрореакторы, обеспечивающие высокие температуры и давления в микроскопическом масштабе, где происходит образование активных веществ, таких как свободные радикалы из растворенных молекул. В контексте химии материалов ультразвуковая кавитация обладает уникальным потенциалом локального катализа высокотемпературных (до 5000 К) и высоконапорных (500 атм) реакций, в то время как система остается макроскопически близкой к комнатной температуре и давлению окружающей среды. (ср. Скорб, Андреева 2013)
Ультразвуковое лечение в основном основано на кавитационном воздействии. Для металлургии ультразвук является весьма выгодным методом для улучшения литья металлов и сплавов.
Помимо обработки металлических расплавов, ультразвуковая обработка также используется для создания губчатых наноструктур и наноузоров на твердых металлических поверхностях, таких как титан и сплавы. Эти детали из титана и сплавов с ультразвуковой наноструктурой демонстрируют большую производительность в качестве имплантатов с усиленной остеогенной пролиферацией клеток. Узнайте больше об ультразвуковом наноструктурировании титановых имплантатов!