Ултразвучно уситњавање структуре металних растопа
- Ултразвук велике снаге у растопљеним металима и легурама има различите корисне ефекте, као што су структурирање, дегазација и побољшана филтрација.
- Ултразвучна обрада подстиче недендритско очвршћавање течних и получврстих метала.
- Ултразвучна обрада има значајне предности при микроструктурном уситњавању дендритских зрна и примарних интерметалних честица.
- Поред тога, ултразвук велике снаге може се циљано користити за смањење порозности метала или за производњу мезопорозних структура.
- На крају, али не мање важно, ултразвук велике снаге побољшава квалитет одливака.
Ултразвучно очвршћавање металних растопа
Формирање недендритских структура током очвршћавања металних растопа утиче на својства материјала, као што су чврстоћа, дуктилност, жилавост и/или тврдоћа.
Нуклеација зрна измењена ултразвуком: Акустична кавитација и њене интензивне силе смицања повећавају број места нуклеације и број клица у растопу. Ултразвучна обрада растопа доводи до хетерогене нуклеације и фрагментације дендрита, тако да крајњи производ има знатно ситнија зрна.
Ултразвучна кавитација доводи до равномерног квашења неметалних нечистоћа у растопу. Те нечистоће постају места нуклеације, која представљају почетне тачке очвршћавања. Пошто се те тачке нуклеације налазе испред фронта очвршћавања, не долази до раста дендритских структура.
Макроструктура легуре Ti након ултразвучне обраде. Ултразвучна обрада доводи до знатно ситнозрније структуре.
Др Андрејева-Бојмлер са Универзитета у Бајројту ради на наноструктурирању метала помоћу ултразвучног уређаја UIP1000hdT.
Утицаји ултразвука на тврдоћу легуре по Викерсу: ултразвучна обрада побољшава микротврдоћу метала по Викерсу
(студија и графички приказ: ©Ruirun et al., 2017)
Фрагментација дендрита: Топљење дендрита обично почиње у корену услед локалног пораста температуре и сегрегације. Ултразвучна обрада ствара снажну конвекцију (пренос топлоте масеним кретањем флуида) и ударне таласе у растопу, што доводи до фрагментације дендрита. Конвекција може да подстакне фрагментацију дендрита услед екстремних локалних температура и варијација састава, а подстиче и дифузију растворене супстанце. Кавитациони ударни таласи помажу ломљење тих коренова који се топе.
Ултразвучна дегазација металних легура
Дегазација је још један важан ефекат ултразвука велике снаге на течне и получврсте метале и легуре. Акустична кавитација ствара наизменичне циклусе ниског / високог притиска. Током циклуса ниског притиска, у течности или суспензији настају сићушни вакуумски мехурићи. Ти вакуумски мехурићи делују као клице за формирање мехурића водоника и паре. Услед формирања већих мехурића водоника, гасни мехурићи се подижу. Акустично струјање и ток помажу испливавање тих мехурића на површину и излазак из растопа, тако да се гас може уклонити, а концентрација гаса у растопу се смањује.
Ултразвучна дегазација смањује порозност метала, чиме се постиже већа густина материјала у крајњем производу од метала / легуре.
Ултразвучна дегазација алуминијумских легура повећава затезну чврстоћу и дуктилност материјала. Индустријски системи ултразвука велике снаге сматрају се најбољим међу осталим комерцијалним методама дегазације у погледу ефикасности и времена обраде. Поред тога, процес пуњења калупа побољшава се услед мање вискозности растопа.
Притисна својства Ti44Al6Nb1Cr2V при различитим временима ултразвучне обраде. Ултразвучна обрада знатно побољшава притисну чврстоћу.
(студија и графички приказ: ©Ruirun et al., 2017)
Керамичка сонотрода BS4D22L3C је специјална сонотрода погодна за ултразвучну обраду течности на високим температурама, као што је растопљени алуминијум (нпр. за мешање и дегазацију).
Сонокапиларни ефекат током филтрације
Ултразвучни капиларни ефекат у течним металима покреће уклањање оксидних укључака током филтрације растопа потпомогнуте ултразвуком. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Филтрација се користи за уклањање неметалних нечистоћа из растопа. Током филтрације, растоп пролази кроз различите мреже (нпр. од стаклених влакана) ради издвајања нежељених укључака. Што је величина отвора мреже мања, то је резултат филтрације бољи.
У уобичајеним условима, растоп не може да прође кроз двослојни филтер са веома малом величином пора од 0,4–0,4mm. Међутим, при филтрацији потпомогнутој ултразвуком, сонокапиларни ефекат омогућава растопу да прође кроз поре мреже. У том случају, капилари филтера задржавају чак и неметалне нечистоће величине 1–10μm. Услед повећане чистоће легуре, избегава се формирање водоничних пора на оксидима, чиме се повећава заморна чврстоћа легуре.
Eskin et al. (2014: 120ff.) показали су да ултразвучна филтрација омогућава пречишћавање алуминијумских легура AA2024, AA7055 и AA7075 помоћу вишеслојних филтера од стаклених влакана (са до 9 слојева), са порама мреже величине 0,6×0,6mm. Када се процес ултразвучне филтрације комбинује са додавањем инокуланата, истовремено се постиже уситњавање зрна.
Ултразвучно ојачавање металних легура
Доказано је да је ултразвучна обрада веома ефикасна за равномерно дисперговање наночестица у суспензијама. Због тога су ултразвучни диспергатори најчешће коришћена опрема за производњу композита ојачаних наночестицама.
Наночестице (нпр. Al2O3/SiC, CNTs) користе се као материјал за ојачавање. Наночестице се додају у растопљену легуру и диспергују ултразвуком. Акустична кавитација и струјање побољшавају деагломерацију и квашљивост честица, што доводи до побољшања затезне чврстоће, границе течења и издужења.
Ултразвучна опрема за примене у тешким условима
Примена ултразвука велике снаге у металургији захтева робусне, поуздане ултразвучне системе који се могу инсталирати у захтевним окружењима. Hielscher Ultrasonics испоручује ултразвучну опрему индустријског квалитета за инсталације у применама са великим оптерећењем и у тешким условима окружења. Сви наши ултразвучни уређаји конструисани су за рад 24/7. Ултразвучни системи велике снаге компаније Hielscher одликују се робусношћу, поузданошћу и могућношћу прецизног управљања.
Захтевни процеси – као што је уситњавање структуре металних растопа – захтевају могућност интензивне ултразвучне обраде. Индустријски ултразвучни процесори компаније Hielscher Ultrasonics остварују веома високе амплитуде. Амплитуде до 200µm лако се могу континуирано одржавати при раду 24/7. За још више амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене по мери.
За ултразвучну обраду течности и растопа на веома високим температурама, Hielscher нуди различите сонотроде и прибор израђен по мери како би се обезбедили оптимални резултати обраде.
Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја:
| Запремина шарже | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000 |
| није применљиво | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| није применљиво | већи | група уређаја UIP16000 |
Контактирајте нас! / Питајте нас!
Литература/Референце
- 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.
Чињенице које вреди знати
Ултразвук велике снаге и кавитација
Када се ултразвучни таласи високог интензитета спрегну са течностима или суспензијама, јавља се појава кавитације .
Ултразвук велике снаге и ниске фреквенције изазива контролисано формирање кавитационих мехурића у течностима и суспензијама. Интензивни ултразвучни таласи стварају наизменичне циклусе ниског / високог притиска у течности. Те брзе промене притиска стварају шупљине, такозване кавитационе мехуриће. Ултразвучно изазвани кавитациони мехурићи могу се сматрати хемијским микрореакторима који обезбеђују високе температуре и притиске на микроскопском нивоу, где из растворених молекула настају активне врсте, као што су слободни радикали. У контексту хемије материјала, ултразвучна кавитација има јединствен потенцијал за локално катализовање реакција на високим температурама (до 5000 K) и високим притисцима (500atm), док систем на макроскопском нивоу остаје близу собне температуре и притиска околине. (уп. Skorb, Andreeva 2013)
Ултразвучне обраде углавном се заснивају на кавитационим ефектима. У металургији, ултразвучна обрада је веома корисна техника за побољшање ливења метала и легура.
Поред обраде металних растопа, ултразвучна обрада се користи и за стварање сунђерастих наноструктура и нанообразаца на чврстим металним површинама, као што су титанијум и легуре. Такви ултразвучно наноструктурирани делови од титанијума и легура показују велики потенцијал као имплантати са побољшаном пролиферацијом остеогених ћелија. Прочитајте више о ултразвучном наноструктурирању титанијумских имплантата!