การปรับโครงสร้างโลหะหลอมเหลวให้ละเอียดด้วยอัลตราโซนิก
- อัลตราซาวนด์กำลังสูงในโลหะและโลหะผสมหลอมเหลวก่อให้เกิดผลที่เป็นประโยชน์หลายประการ เช่น การสร้างโครงสร้าง การไล่ก๊าซ และการปรับปรุงการกรอง
- การใช้อัลตราโซนิกส่งเสริมการแข็งตัวแบบไม่เกิดโครงสร้างเดนไดรต์ในโลหะเหลวและโลหะกึ่งแข็ง
- การใช้อัลตราโซนิกให้ประโยชน์อย่างมีนัยสำคัญต่อการปรับโครงสร้างจุลภาคของเกรนเดนไดรต์และอนุภาคสารประกอบระหว่างโลหะปฐมภูมิให้ละเอียด
- นอกจากนี้ ยังสามารถใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูงอย่างมีจุดมุ่งหมายเพื่อลดความพรุนของโลหะหรือสร้างโครงสร้างที่มีรูพรุนระดับเมโซ
- ประการสุดท้ายที่มีความสำคัญเช่นกัน อัลตราซาวนด์กำลังสูงช่วยปรับปรุงคุณภาพของชิ้นงานหล่อ
การแข็งตัวของโลหะหลอมเหลวด้วยอัลตราโซนิก
การเกิดโครงสร้างที่ไม่เป็นเดนไดรต์ระหว่างการแข็งตัวของโลหะหลอมเหลวส่งผลต่อสมบัติของวัสดุ เช่น ความแข็งแรง ความเหนียวเชิงยืดตัว ความเหนียวต้านการแตกหัก และ/หรือความแข็ง
การเกิดนิวเคลียสของเกรนที่เปลี่ยนแปลงด้วยอัลตราโซนิก: คาวิเทชันจากคลื่นเสียงและแรงเฉือนที่รุนแรงจากปรากฏการณ์นี้เพิ่มตำแหน่งการเกิดนิวเคลียสและจำนวนนิวเคลียสในโลหะหลอมเหลว การใช้อัลตราโซนิกกับโลหะหลอมเหลวทำให้เกิดนิวเคลียสแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกันและการแตกตัวของเดนไดรต์ ส่งผลให้ผลิตภัณฑ์สุดท้ายมีเกรนที่ละเอียดขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ
คาวิเทชันจากอัลตราโซนิกทำให้สิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะในโลหะหลอมเหลวเปียกอย่างสม่ำเสมอ สิ่งเจือปนเหล่านี้กลายเป็นตำแหน่งการเกิดนิวเคลียส ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของการแข็งตัว เนื่องจากตำแหน่งการเกิดนิวเคลียสเหล่านี้อยู่ด้านหน้าแนวการแข็งตัว จึงไม่เกิดการเติบโตของโครงสร้างเดนไดรต์
โครงสร้างมหภาคของโลหะผสม Ti หลังการใช้อัลตราโซนิก การใช้อัลตราโซนิกทำให้โครงสร้างเกรนละเอียดขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ
ดร. Andreeva-Bäumler จากมหาวิทยาลัย Bayreuth กำลังใช้เครื่องอัลตราโซนิก UIP1000hdT ในการสร้างโครงสร้างระดับนาโนของโลหะ
ผลของอัลตราโซนิกต่อความแข็งแบบวิกเกอร์สของโลหะผสม: การใช้อัลตราโซนิกช่วยเพิ่มความแข็งจุลภาคแบบวิกเกอร์สในโลหะ
(การศึกษาและภาพกราฟิก: ©Ruirun et al., 2017)
การแตกตัวของเดนไดรต์: การหลอมของเดนไดรต์มักเริ่มที่โคนเนื่องจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเฉพาะบริเวณและการแยกตัวขององค์ประกอบ การใช้อัลตราโซนิกก่อให้เกิดการพาที่รุนแรง (การถ่ายเทความร้อนโดยการเคลื่อนที่ของมวลของไหล) และคลื่นกระแทกในโลหะหลอมเหลว ทำให้เดนไดรต์แตกตัว การพาสามารถส่งเสริมการแตกตัวของเดนไดรต์เนื่องจากอุณหภูมิที่สูงมากเฉพาะบริเวณและความแปรผันขององค์ประกอบ อีกทั้งยังส่งเสริมการแพร่ของตัวถูกละลาย คลื่นกระแทกจากคาวิเทชันช่วยให้โคนเดนไดรต์ที่กำลังหลอมเหล่านั้นแตกหัก
การไล่ก๊าซออกจากโลหะผสมด้วยอัลตราโซนิก
การไล่ก๊าซเป็นผลสำคัญอีกประการหนึ่งของอัลตราซาวนด์กำลังสูงต่อโลหะและโลหะผสมในสถานะเหลวและกึ่งแข็ง คาวิเทชันจากคลื่นเสียงสร้างวัฏจักรความดันต่ำ / ความดันสูงสลับกัน ในช่วงวัฏจักรความดันต่ำ จะเกิดฟองสุญญากาศขนาดเล็กมากในของเหลวหรือสารแขวนลอยข้น ฟองสุญญากาศเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นนิวเคลียสสำหรับการเกิดฟองไฮโดรเจนและฟองไอ เมื่อเกิดฟองไฮโดรเจนที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ฟองก๊าซจึงลอยขึ้น การไหลและกระแสไหลที่เกิดจากคลื่นเสียงช่วยให้ฟองเหล่านี้ลอยขึ้นสู่ผิวและออกจากโลหะหลอมเหลว จึงสามารถกำจัดก๊าซและลดความเข้มข้นของก๊าซในโลหะหลอมเหลวได้
การไล่ก๊าซด้วยอัลตราโซนิกช่วยลดความพรุนของโลหะ ส่งผลให้ผลิตภัณฑ์โลหะ / โลหะผสมสุดท้ายมีความหนาแน่นของวัสดุสูงขึ้น
การไล่ก๊าซออกจากโลหะผสมอะลูมิเนียมด้วยอัลตราโซนิกเพิ่มความต้านทานแรงดึงสูงสุดและความเหนียวเชิงยืดตัวของวัสดุ ระบบอัลตราซาวนด์กำลังสูงสำหรับอุตสาหกรรมถือว่าดีที่สุดเมื่อเทียบกับวิธีไล่ก๊าซเชิงพาณิชย์อื่น ๆ ในด้านประสิทธิผลและเวลาในการประมวลผล นอกจากนี้ กระบวนการเติมโลหะหลอมเหลวลงในแบบหล่อยังดีขึ้นเนื่องจากโลหะหลอมเหลวมีความหนืดต่ำลง
สมบัติการรับแรงอัดของ Ti44Al6Nb1Cr2V เมื่อใช้อัลตราโซนิกเป็นระยะเวลาต่าง ๆ การใช้อัลตราโซนิกช่วยเพิ่มความต้านทานแรงอัดอย่างมีนัยสำคัญ
(การศึกษาและภาพกราฟิก: ©Ruirun et al., 2017)
โซโนโทรดเซรามิก BS4D22L3C เป็นโซโนโทรดชนิดพิเศษที่เหมาะสำหรับการใช้อัลตราโซนิกกับของเหลวอุณหภูมิสูง เช่น อะลูมิเนียมหลอมเหลว (เช่น เพื่อการผสมและการไล่ก๊าซ)
ปรากฏการณ์แคปิลลารีจากคลื่นเสียงระหว่างการกรอง
ปรากฏการณ์แคปิลลารีจากอัลตราโซนิกในโลหะเหลวเป็นแรงขับในการกำจัดสิ่งแทรกออกไซด์ระหว่างการกรองโลหะหลอมเหลวโดยใช้อัลตราโซนิกช่วย (Eskin et al. 2014: 120ff.)
การกรองใช้เพื่อกำจัดสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะออกจากโลหะหลอมเหลว ระหว่างการกรอง โลหะหลอมเหลวจะผ่านตาข่ายชนิดต่าง ๆ (เช่น ใยแก้ว) เพื่อแยกสิ่งแทรกที่ไม่ต้องการออก ยิ่งช่องตาข่ายมีขนาดเล็ก ผลการกรองก็ยิ่งดีขึ้น
ภายใต้สภาวะทั่วไป โลหะหลอมเหลวไม่สามารถผ่านตัวกรองสองชั้นที่มีขนาดรูพรุนแคบมากเพียง 0.4–0.4mm ได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้อัลตราโซนิกช่วยในการกรอง โลหะหลอมเหลวจะสามารถผ่านรูของตาข่ายได้เนื่องจากปรากฏการณ์แคปิลลารีจากคลื่นเสียง ในกรณีนี้ ช่องแคปิลลารีของตัวกรองสามารถกักสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะได้แม้มีขนาดเพียง 1–10μm เนื่องจากโลหะผสมมีความบริสุทธิ์เพิ่มขึ้น จึงหลีกเลี่ยงการเกิดรูพรุนจากไฮโดรเจนที่ออกไซด์ได้ ส่งผลให้ความต้านทานความล้าของโลหะผสมเพิ่มขึ้น
Eskin et al. (2014: 120ff.) แสดงให้เห็นว่าการกรองด้วยอัลตราโซนิกทำให้สามารถทำโลหะผสมอะลูมิเนียม AA2024, AA7055 และ AA7075 ให้บริสุทธิ์ได้ โดยใช้ตัวกรองใยแก้วหลายชั้น (สูงสุด 9 ชั้น) ที่มีรูตาข่ายขนาด 0.6×0.6mm เมื่อใช้กระบวนการกรองด้วยอัลตราโซนิกร่วมกับการเติมสารส่งเสริมการเกิดนิวเคลียส จะทำให้เกรนละเอียดขึ้นพร้อมกันด้วย
การเสริมความแข็งแรงให้โลหะผสมด้วยอัลตราโซนิก
การใช้อัลตราโซนิกได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิผลสูงในการกระจายอนุภาคนาโนอย่างสม่ำเสมอในสารแขวนลอยข้น ดังนั้น เครื่องกระจายอนุภาคด้วยอัลตราโซนิกจึงเป็นอุปกรณ์ที่ใช้กันมากที่สุดในการผลิตวัสดุคอมโพสิตที่เสริมความแข็งแรงด้วยอนุภาคนาโน
อนุภาคนาโน (เช่น Al2O3/SiC, CNTs) ใช้เป็นวัสดุเสริมความแข็งแรง โดยเติมอนุภาคนาโนลงในโลหะผสมหลอมเหลวและกระจายด้วยอัลตราโซนิก คาวิเทชันจากคลื่นเสียงและกระแสไหลที่เกิดจากคลื่นเสียงช่วยให้กลุ่มอนุภาคแยกตัวและเพิ่มความสามารถในการเปียกของอนุภาค ส่งผลให้ความต้านทานแรงดึง ความต้านทานแรงดึงที่จุดคราก และการยืดตัวดีขึ้น
อุปกรณ์อัลตราโซนิกสำหรับงานหนัก
การใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูงในงานโลหวิทยาต้องอาศัยระบบอัลตราโซนิกที่แข็งแกร่งและเชื่อถือได้ ซึ่งสามารถติดตั้งในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดสูงได้ Hielscher Ultrasonics จัดหาอุปกรณ์อัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมสำหรับติดตั้งในงานหนักและสภาพแวดล้อมที่สมบุกสมบัน เครื่องอัลตราโซนิกทั้งหมดของเราออกแบบมาให้ทำงานได้ตลอด 24/7 ระบบอัลตราโซนิกกำลังสูงของ Hielscher มีทั้งความแข็งแกร่ง ความน่าเชื่อถือ และความสามารถในการควบคุมที่แม่นยำ
กระบวนการที่มีข้อกำหนดสูง – เช่น การปรับโครงสร้างโลหะหลอมเหลวให้ละเอียด – ต้องอาศัยความสามารถในการใช้อัลตราโซนิกที่มีความเข้มสูง เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกสำหรับอุตสาหกรรมของ Hielscher Ultrasonics ให้แอมพลิจูดสูงมาก สามารถทำงานต่อเนื่องที่แอมพลิจูดสูงสุด 200µm ได้อย่างง่ายดายตลอด 24/7 สำหรับแอมพลิจูดที่สูงกว่านี้ มีโซโนโทรดอัลตราโซนิกที่ผลิตตามความต้องการให้เลือกใช้
สำหรับการใช้อัลตราโซนิกกับของเหลวและโลหะหลอมเหลวที่มีอุณหภูมิสูงมาก Hielscher มีโซโนโทรดหลากหลายชนิดและอุปกรณ์เสริมที่ผลิตตามความต้องการ เพื่อให้ได้ผลการประมวลผลที่เหมาะสมที่สุด
ตารางด้านล่างแสดงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:
| ปริมาตรต่อรุ่นการผลิต | อัตราการไหล | อุปกรณ์ที่แนะนำ |
|---|---|---|
| 10 ถึง 2000mL | 20 ถึง 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 ถึง 20L | 0.2 ถึง 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 ถึง 100L | 2 ถึง 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 ถึง 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | สูงกว่านี้ | ชุดเครื่อง UIP16000 |
ติดต่อเรา! / สอบถามเรา!
วรรณกรรม/เอกสารอ้างอิง
- 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.
ข้อเท็จจริงที่ควรรู้
อัลตราซาวนด์กำลังสูงและคาวิเทชัน
เมื่อส่งผ่านพลังงานคลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงเข้าสู่ของเหลวหรือสารแขวนลอยข้น จะเกิดปรากฏการณ์ คาวิเทชัน ขึ้น
อัลตราซาวนด์กำลังสูงที่มีความถี่ต่ำทำให้เกิดฟองคาวิเทชันในของเหลวและสารแขวนลอยข้นอย่างควบคุมได้ คลื่นอัลตราซาวนด์ที่มีความเข้มสูงสร้างวัฏจักรความดันต่ำ / ความดันสูงสลับกันในของเหลว การเปลี่ยนแปลงความดันอย่างรวดเร็วเหล่านี้ก่อให้เกิดโพรงที่เรียกว่าฟองคาวิเทชัน ฟองคาวิเทชันที่เกิดจากอัลตราโซนิกอาจถือได้ว่าเป็นเครื่องปฏิกรณ์เคมีขนาดจุลภาคที่ให้อุณหภูมิและความดันสูงในระดับจุลภาค ซึ่งเกิดสารที่ไวต่อปฏิกิริยา เช่น อนุมูลอิสระ จากโมเลกุลที่ละลายอยู่ ในบริบทของเคมีวัสดุ คาวิเทชันจากอัลตราโซนิกมีศักยภาพเฉพาะตัวในการเร่งปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูง (สูงสุด 5000 K) และความดันสูง (500atm) เฉพาะบริเวณ ขณะที่ระบบในระดับมหภาคยังคงมีอุณหภูมิใกล้เคียงอุณหภูมิห้องและความดันใกล้เคียงความดันแวดล้อม (ดู Skorb, Andreeva 2013)
กระบวนการอัลตราโซนิกอาศัยผลจากคาวิเทชันเป็นหลัก สำหรับงานโลหวิทยา การใช้อัลตราโซนิกเป็นเทคนิคที่ให้ประโยชน์อย่างมากในการปรับปรุงการหล่อโลหะและโลหะผสม
นอกจากการประมวลผลโลหะหลอมเหลวแล้ว ยังใช้อัลตราโซนิกเพื่อสร้างโครงสร้างนาโนคล้ายฟองน้ำและลวดลายระดับนาโนบนพื้นผิวโลหะแข็ง เช่น ไทเทเนียมและโลหะผสม ชิ้นส่วนไทเทเนียมและโลหะผสมที่มีโครงสร้างนาโนจากอัลตราโซนิกเหล่านี้แสดงศักยภาพสูงในการใช้เป็นวัสดุฝังในร่างกาย โดยช่วยเพิ่มการเพิ่มจำนวนของเซลล์สร้างกระดูก อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสร้างโครงสร้างนาโนด้วยอัลตราโซนิกบนวัสดุฝังในร่างกายที่ทำจากไทเทเนียม!