Metal Eriyiklerinin Ultrasonik İnceltilmesi
- Erimiş metallerde ve alaşımlarda güç ultrasonu, yapılandırma, gaz giderme ve iyileştirilmiş filtrasyon gibi çeşitli yararlı etkiler gösterir.
- Ultrasonik işlem, sıvı ve yarı katı metallerde dendritik olmayan katılaşmayı destekler.
- Sonikasyon, dendritik tanelerin ve birincil intermetalik parçacıkların mikroyapısal inceltilmesinde önemli faydalar sağlar.
- Ayrıca güç ultrasonu, metalin gözenekliliğini azaltmak veya mezogözenekli yapılar üretmek amacıyla kullanılabilir.
- Son olarak, güç ultrasonu döküm parçalarının kalitesini iyileştirir.
Metal Eriyiklerinin Ultrasonik Katılaştırılması
Metal eriyiklerinin katılaşması sırasında dendritik olmayan yapıların oluşması; dayanım, süneklik, tokluk ve/veya sertlik gibi malzeme özelliklerini etkiler.
Ultrasonik olarak değiştirilen tane çekirdeklenmesi: Akustik kavitasyon ve oluşturduğu yoğun kesme kuvvetleri, eriyikteki çekirdeklenme bölgelerini ve çekirdek sayısını artırır. Eriyiklerin ultrasonik işleme tabi tutulması, heterojen çekirdeklenmeye ve dendritlerin parçalanmasına yol açar; böylece nihai üründe belirgin ölçüde daha yüksek düzeyde tane incelmesi görülür.
Ultrasonik kavitasyon, eriyikteki metalik olmayan safsızlıkların eşit biçimde ıslanmasını sağlar. Bu safsızlıklar, katılaşmanın başlangıç noktaları olan çekirdeklenme bölgelerine dönüşür. Bu çekirdeklenme noktaları katılaşma cephesinin önünde bulunduğundan, dendritik yapıların büyümesi gerçekleşmez.
Ultrasonik işlem sonrasında Ti alaşımının makroyapısı. Ultrasonik işlem, belirgin ölçüde incelmiş bir tane yapısı sağlar.
Bayreuth Üniversitesinden Dr. Andreeva-Bäumler, metallerin nano ölçekte yapılandırılması üzerinde UIP1000hdT sonikatörüyle çalışmaktadır.
Alaşımın Vickers sertliği üzerindeki ultrasonik etkiler: Ultrasonik işlem, metalin Vickers mikrosertliğini iyileştirir
(çalışma ve grafik: ©Ruirun et al., 2017)
Dendrit Parçalanması: Dendritlerin erimesi, yerel sıcaklık artışı ve segregasyon nedeniyle genellikle kökte başlar. Sonikasyon, eriyikte güçlü konveksiyon (bir akışkanın kütlesel hareketiyle ısı aktarımı) ve şok dalgaları oluşturur; böylece dendritler parçalanır. Konveksiyon, aşırı yerel sıcaklıklar ve bileşim değişimleri nedeniyle dendrit parçalanmasını destekleyebilir ve çözünen maddenin difüzyonunu artırır. Kavitasyon şok dalgaları, erimekte olan bu köklerin kırılmasına yardımcı olur.
Metalik Alaşımlarda Ultrasonik Gaz Giderme
Gaz giderme, güç ultrasonunun sıvı ve yarı katı metaller ve alaşımlar üzerindeki bir diğer önemli etkisidir. Akustik kavitasyon, dönüşümlü düşük basınç / yüksek basınç çevrimleri oluşturur. Düşük basınç çevrimleri sırasında sıvıda veya bulamaçta çok küçük vakum kabarcıkları oluşur. Bu vakum kabarcıkları, hidrojen ve buhar kabarcıklarının oluşumu için çekirdek görevi görür. Daha büyük hidrojen kabarcıklarının oluşması nedeniyle gaz kabarcıkları yükselir. Akustik akış ve akım, bu kabarcıkların yüzeye yükselerek eriyikten çıkmasına yardımcı olur; böylece gaz uzaklaştırılabilir ve eriyikteki gaz konsantrasyonu azalır.
Ultrasonik gaz giderme, metalin gözenekliliğini azaltarak nihai metal / alaşım ürününde daha yüksek malzeme yoğunluğu sağlar.
Alüminyum alaşımlarında ultrasonik gaz giderme, malzemenin maksimum çekme dayanımını ve sünekliğini artırır. Endüstriyel güç ultrasonu sistemleri, etkinlik ve işlem süresi bakımından diğer ticari gaz giderme yöntemleri arasında en iyisi olarak kabul edilir. Ayrıca eriyiğin daha düşük viskozitesi sayesinde kalıp doldurma işlemi iyileşir.
Çeşitli sonikasyon sürelerinde Ti44Al6Nb1Cr2V alaşımının basma özellikleri. Sonikasyon, basma dayanımını belirgin ölçüde iyileştirir.
(çalışma ve grafik: ©Ruirun et al., 2017)
BS4D22L3C seramik sonotrotu, erimiş alüminyum gibi yüksek sıcaklıktaki sıvılara sonikasyon uygulamak için uygun özel bir sonotro ttur (ör. karıştırma ve gaz giderme için).
Filtrasyon Sırasında Sonokapiler Etki
Sıvı metallerdeki ultrasonik kapiler etki, eriyiklerin ultrason destekli filtrasyonu sırasında oksit inklüzyonlarının giderilmesini sağlayan etkidir. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtrasyon, eriyikten metalik olmayan safsızlıkları uzaklaştırmak için kullanılır. Filtrasyon sırasında eriyik, istenmeyen inklüzyonların ayrılması için çeşitli ağlardan (ör. cam elyafı) geçer. Ağ açıklığı ne kadar küçükse filtrasyon sonucu o kadar iyi olur.
Normal koşullarda eriyik, 0,4–0,4mm gibi çok dar bir gözenek boyutuna sahip iki katmanlı bir filtreden geçemez. Ancak ultrason destekli filtrasyonda, sonokapiler etki sayesinde eriyiğin ağ gözeneklerinden geçmesi sağlanır. Bu durumda filtre kapilerleri, 1–10μm boyutundaki metalik olmayan safsızlıkları bile tutar. Alaşımın saflığının artması sayesinde oksitlerde hidrojen gözeneklerinin oluşması önlenir; böylece alaşımın yorulma dayanımı artar.
Eskin et al. (2014: 120ff.), ultrasonik filtrasyonun, 0,6×0,6mm ağ gözeneklerine sahip çok katmanlı (9 katmana kadar) cam elyafı filtreler kullanılarak AA2024, AA7055 ve AA7075 alüminyum alaşımlarının saflaştırılmasını mümkün kıldığını göstermiştir. Ultrasonik filtrasyon işlemi aşılayıcıların eklenmesiyle birleştirildiğinde, eş zamanlı tane incelmesi elde edilir.
Metal Alaşımlarının Ultrasonik Takviyesi
Ultrasonik işlemin, nanoparçacıkların bulamaçlara eşit biçimde dağıtılmasında son derece etkili olduğu kanıtlanmıştır. Bu nedenle ultrasonik disperserler, nano takviyeli kompozitlerin üretiminde en yaygın kullanılan ekipmanlardır.
Nanoparçacıklar (ör. Al2O3/SiC, CNTs) takviye malzemesi olarak kullanılır. Nanoparçacıklar erimiş alaşıma eklenir ve ultrasonik olarak dağıtılır. Akustik kavitasyon ve akım, parçacıkların deaglomerasyonunu ve ıslanabilirliğini iyileştirerek çekme dayanımının, akma dayanımının ve uzamanın iyileşmesini sağlar.
Ağır Hizmet Uygulamaları için Ultrasonik Ekipman
Metalurjide güç ultrasonunun uygulanması, zorlu ortamlarda kurulabilen sağlam ve güvenilir ultrasonik sistemler gerektirir. Hielscher Ultrasonics, ağır hizmet uygulamalarında ve zorlu ortamlarda kurulmak üzere endüstriyel sınıf ultrasonik ekipman sağlar. Tüm sonikatörlerimiz 24/7 çalışma için üretilmiştir. Hielscher yüksek güçlü ultrasonik sistemleri; sağlamlık, güvenilirlik ve hassas kontrol edilebilirliği bir araya getirir.
Metal eriyiklerinin inceltilmesi gibi zorlu işlemler, yoğun sonikasyon uygulayabilme kapasitesi gerektirir. Hielscher Ultrasonics endüstriyel ultrasonik işlemcileri çok yüksek genlikler sağlar. 200µm’ye kadar genliklerle 24/7 çalışma sırasında kolaylıkla kesintisiz çalışılabilir. Daha da yüksek genlikler için özel olarak uyarlanmış ultrasonik sonotrotlar mevcuttur.
Çok yüksek sıcaklıklardaki sıvılara ve eriyiklere sonikasyon uygulamak için Hielscher, optimum işlem sonuçlarını sağlamak üzere çeşitli sonotrotlar ve özel olarak uyarlanmış aksesuarlar sunar.
Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bilgi verir:
| Parti Hacmi | Debi | Önerilen Cihazlar |
|---|---|---|
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha yüksek | Şu modelden oluşan cihaz grubu: UIP16000 |
Bizimle İletişime Geçin! / Bize Sorun!
Literatür/Kaynaklar
- 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.
Bilinmeye Değer Bilgiler
Güç Ultrasonu ve Kavitasyon
Yüksek yoğunluklu ultrasonik dalgalar sıvılara veya bulamaçlara aktarıldığında, kavitasyon olgusu ortaya çıkar.
Yüksek güçlü, düşük frekanslı ultrason, sıvılarda ve bulamaçlarda kontrollü biçimde kavitasyon kabarcıklarının oluşmasını sağlar. Yoğun ultrasonik dalgalar, sıvıda dönüşümlü düşük basınç / yüksek basınç çevrimleri oluşturur. Bu hızlı basınç değişimleri, kavitasyon kabarcıkları olarak adlandırılan boşluklar oluşturur. Ultrasonik olarak oluşturulan kavitasyon kabarcıkları, mikroskobik ölçekte yüksek sıcaklıklar ve basınçlar sağlayan kimyasal mikroreaktörler olarak değerlendirilebilir; burada çözünmüş moleküllerden serbest radikaller gibi aktif türler oluşur. Malzeme kimyası bağlamında ultrasonik kavitasyon, sistem makroskobik olarak oda sıcaklığına ve ortam basıncına yakın kalırken yüksek sıcaklıktaki (5000 K’ye kadar) ve yüksek basınçtaki (500atm) reaksiyonları yerel olarak katalizleme konusunda benzersiz bir potansiyele sahiptir. (bkz. Skorb, Andreeva 2013)
Ultrasonik işlemler esas olarak kavitasyon etkilerine dayanır. Metalurjide sonikasyon, metallerin ve alaşımların dökümünü iyileştirmek için son derece avantajlı bir tekniktir.
Metal eriyiklerinin işlenmesinin yanı sıra sonikasyon, titanyum ve alaşımlar gibi katı metal yüzeylerinde sünger benzeri nanoyapılar ve nano desenler oluşturmak için de kullanılır. Ultrasonik olarak nano ölçekte yapılandırılmış bu titanyum ve alaşım parçaları, osteojenik hücre proliferasyonu artırılmış implantlar olarak büyük bir kapasite gösterir. Titanyum implantların ultrasonik olarak nano ölçekte yapılandırılması hakkında daha fazla bilgi edinin!