Ultrazvočno izboljšanje kovinskih talin
- Visokozmogljivi ultrazvok ima v staljenih kovinah in zlitinah različne koristne učinke, kot so strukturiranje, razplinjevanje in izboljšana filtracija.
- Ultrazvočna obdelava spodbuja nedendritno strjevanje tekočih in poltrdnih kovin.
- Sonikacija ima pomembne koristi pri mikrostrukturnem udrobnjevanju dendritnih zrn in primarnih intermetalnih delcev.
- Poleg tega se lahko visokozmogljivi ultrazvok namensko uporablja za zmanjšanje poroznosti kovin ali za izdelavo mezoporoznih struktur.
- Nenazadnje visokozmogljivi ultrazvok izboljšuje kakovost ulitkov.
Ultrazvočno strjevanje kovinskih talin
Nastajanje nedendritnih struktur med strjevanjem kovinskih talin vpliva na lastnosti materiala, kot so trdnost, duktilnost, žilavost in/ali trdota.
Ultrazvočno spremenjena nukleacija zrn: Akustična kavitacija in njene intenzivne strižne sile povečajo število nukleacijskih mest in kali v talini. Ultrazvočna obdelava talin povzroči heterogeno nukleacijo in fragmentacijo dendritov, zato so zrna v končnem izdelku bistveno bolj udrobnjena.
Ultrazvočna kavitacija povzroči enakomerno omočenje nekovinskih nečistoč v talini. Te nečistoče postanejo nukleacijska mesta, ki so izhodišča strjevanja. Ker so ta nukleacijska mesta pred fronto strjevanja, dendritne strukture ne rastejo.
Makrostruktura zlitine Ti po ultrazvočni obdelavi. Ultrazvočna obdelava povzroči bistveno bolj drobnozrnato strukturo.
Dr. Andreeva-Bäumler z Univerze v Bayreuthu z ultrazvočno napravo UIP1000hdT raziskuje nanostrukturiranje kovin.
Ultrazvočni učinki na Vickersovo trdoto zlitine: ultrazvočna obdelava izboljša Vickersovo mikrotrdoto kovine
(študija in grafični prikaz: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentacija dendritov: Taljenje dendritov se zaradi lokalnega zvišanja temperature in segregacije običajno začne pri korenu. Sonikacija v talini ustvarja močno konvekcijo (prenos toplote z masnim gibanjem fluida) in udarne valove, zaradi česar se dendriti fragmentirajo. Konvekcija lahko zaradi ekstremnih lokalnih temperatur in sprememb sestave spodbuja fragmentacijo dendritov ter pospešuje difuzijo topljenca. Kavitacijski udarni valovi pripomorejo k lomljenju teh talečih se korenov.
Ultrazvočno razplinjevanje kovinskih zlitin
Razplinjevanje je še en pomemben učinek visokozmogljivega ultrazvoka na tekoče in poltrdne kovine ter zlitine. Akustična kavitacija ustvarja izmenjujoče se cikle nizkega / visokega tlaka. Med cikli nizkega tlaka v tekočini ali suspenziji nastanejo drobni vakuumski mehurčki. Ti vakuumski mehurčki delujejo kot kali za nastanek vodikovih mehurčkov in mehurčkov pare. Zaradi nastanka večjih vodikovih mehurčkov se plinski mehurčki dvigajo. Akustični tok in tokovno gibanje pomagata tem mehurčkom pri dviganju na površino in izstopanju iz taline, tako da je plin mogoče odstraniti in se koncentracija plina v talini zmanjša.
Ultrazvočno razplinjevanje zmanjšuje poroznost kovine in s tem omogoča večjo gostoto materiala v končnem izdelku iz kovine / zlitine.
Ultrazvočno razplinjevanje aluminijevih zlitin poveča natezno trdnost in duktilnost materiala. Industrijski sistemi visokozmogljivega ultrazvoka veljajo za najboljše med drugimi komercialnimi metodami razplinjevanja glede učinkovitosti in časa obdelave. Poleg tega se zaradi manjše viskoznosti taline izboljša postopek polnjenja kalupa.
Tlačne lastnosti Ti44Al6Nb1Cr2V pri različnih časih sonikacije. Sonikacija bistveno izboljša tlačno trdnost.
(študija in grafični prikaz: ©Ruirun et al., 2017)
Keramična sonotroda BS4D22L3C je posebna sonotroda, primerna za sonikacijo visokotemperaturnih tekočin, kot je staljeni aluminij (npr. za mešanje in razplinjevanje).
Sonokapilarni učinek med filtracijo
Ultrazvočni kapilarni učinek v tekočih kovinah je gonilni učinek pri odstranjevanju oksidnih vključkov med ultrazvočno podprto filtracijo talin. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtracija se uporablja za odstranjevanje nekovinskih nečistoč iz taline. Med filtracijo talina prehaja skozi različne mrežice (npr. iz steklenih vlaken), da se ločijo neželeni vključki. Manjše ko so odprtine mrežice, boljši je rezultat filtracije.
V običajnih razmerah talina ne more prehajati skozi dvoslojni filter z zelo majhno velikostjo por 0,4–0,4mm. Vendar pri ultrazvočno podprti filtraciji sonokapilarni učinek omogoča prehajanje taline skozi pore mrežice. V tem primeru kapilare filtra zadržijo celo nekovinske nečistoče velikosti 1–10μm. Zaradi večje čistosti zlitine se prepreči nastajanje vodikovih por ob oksidih, zato se poveča utrujenostna trdnost zlitine.
Eskin et al. (2014: 120ff.) so pokazali, da ultrazvočna filtracija omogoča čiščenje aluminijevih zlitin AA2024, AA7055 in AA7075 z uporabo večslojnih filtrov iz steklenih vlaken (z do 9 sloji) z odprtinami mrežice 0,6×0,6mm. Ko se postopek ultrazvočne filtracije združi z dodajanjem cepiv, se hkrati doseže udrobnitev zrn.
Ultrazvočna ojačitev kovinskih zlitin
Ultrazvočna obdelava je dokazano zelo učinkovita pri enakomernem dispergiranju nanodelcev v suspenzijah. Zato so ultrazvočni dispergatorji najpogostejša oprema za izdelavo kompozitov, ojačenih z nanodelci.
Nanodelci (npr. Al2O3/SiC, CNTs) se uporabljajo kot ojačitveni material. Nanodelci se dodajo v staljeno zlitino in ultrazvočno dispergirajo. Akustična kavitacija in tokovno gibanje izboljšata deaglomeracijo in omočljivost delcev, kar izboljša natezno trdnost, mejo tečenja in raztezek.
Ultrazvočna oprema za zahtevne aplikacije
Uporaba visokozmogljivega ultrazvoka v metalurgiji zahteva robustne, zanesljive ultrazvočne sisteme, ki jih je mogoče namestiti v zahtevnih okoljih. Hielscher Ultrasonics dobavlja ultrazvočno opremo industrijske kakovosti za namestitev pri zahtevnih aplikacijah in v neugodnih okoljih. Vse naše ultrazvočne naprave so zasnovane za delovanje 24/7. Visokozmogljivi ultrazvočni sistemi Hielscher združujejo robustnost, zanesljivost in možnost natančnega krmiljenja.
Zahtevni postopki – kot je izboljšanje kovinskih talin – zahtevajo zmogljivost za intenzivno sonikacijo. Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics zagotavljajo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200µm je mogoče brez težav neprekinjeno vzdrževati pri delovanju 24/7. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode.
Za sonikacijo tekočin in talin pri zelo visokih temperaturah Hielscher ponuja različne sonotrode in prilagojeno dodatno opremo, da zagotovi optimalne rezultate obdelave.
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 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. | večji | sklop naprav UIP16000 |
Stopite v stik z nami! / Vprašajte nas!
Literatura/Reference
- 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.
Dejstva, ki jih je vredno poznati
Visokozmogljivi ultrazvok in kavitacija
Ko se ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti vnašajo v tekočine ali suspenzije, pride do pojava kavitacije .
Visokozmogljivi nizkofrekvenčni ultrazvok povzroča nadzorovano nastajanje kavitacijskih mehurčkov v tekočinah in suspenzijah. Intenzivni ultrazvočni valovi v tekočini ustvarjajo izmenjujoče se cikle nizkega / visokega tlaka. Te hitre spremembe tlaka ustvarjajo praznine, tako imenovane kavitacijske mehurčke. Ultrazvočno inducirane kavitacijske mehurčke lahko obravnavamo kot kemijske mikroreaktorje, ki na mikroskopski ravni zagotavljajo visoke temperature in tlake, pri katerih iz raztopljenih molekul nastajajo aktivne zvrsti, kot so prosti radikali. V kemiji materialov ima ultrazvočna kavitacija edinstveno zmožnost lokalnega kataliziranja visokotemperaturnih (do 5000 K) in visokotlačnih (500atm) reakcij, medtem ko sistem na makroskopski ravni ostaja blizu sobne temperature in tlaka okolice. (prim. Skorb, Andreeva 2013)
Ultrazvočne obdelave temeljijo predvsem na kavitacijskih učinkih. V metalurgiji je sonikacija zelo koristna tehnika za izboljšanje litja kovin in zlitin.
Poleg obdelave kovinskih talin se sonikacija uporablja tudi za ustvarjanje gobastih nanostruktur in nanovzorcev na trdnih kovinskih površinah, kot so površine titana in zlitin. Ti ultrazvočno nanostrukturirani deli iz titana in zlitin imajo velik potencial za uporabo kot vsadki z okrepljeno proliferacijo osteogenih celic. Preberite več o ultrazvočnem nanostrukturiranju titanovih vsadkov!