Metal eriyiklerinin ultrasonik rafine edilmesi
- Erimiş metallerde ve alaşımlarda güç ultrasonu, yapılandırma, gaz giderme ve gelişmiş filtreleme gibi çeşitli faydalı etkiler gösterir.
- Ultrasonication, sıvı ve yarı katı metallerde dendritik olmayan katılaşmayı teşvik eder.
- Sonikasyon, dendritik tanelerin ve birincil intermetalik parçacıkların mikroyapısal olarak rafine edilmesi üzerinde önemli faydalara sahiptir.
- Ayrıca, güç ultrasonu, metal gözenekliliğini azaltmak veya mezo-gözenekli yapılar üretmek için kasıtlı olarak kullanılabilir.
- Son olarak, güç ultrasonu dökümlerin kalitesini artırır.
Metal eriyiklerinin ultrasonik katılaşması
Metal eriyiklerinin katılaşması sırasında dendritik olmayan yapıların oluşması, mukavemet, süneklik, tokluk ve/veya sertlik gibi malzeme özelliklerini etkiler.
Ultrasonik olarak değiştirilmiş tahıl çekirdeklenmesi: Akustik kavitasyon ve yoğun kesme kuvvetleri, eriyikteki çekirdeklenme bölgelerini ve çekirdek sayısını arttırır. Eriyiklerin ultrasonik muamelesi, heterojen bir çekirdeklenme ve dendritlerin parçalanması ile sonuçlanır, böylece nihai ürün önemli ölçüde daha yüksek bir tane inceltme gösterir.
Ultrasonik kavitasyon, eriyikteki metalik olmayan safsızlıkların eşit şekilde ıslanmasına neden olur. Bu safsızlıklar, katılaşmanın başlangıç noktaları olan çekirdeklenme bölgelerine dönüşür. Bu çekirdeklenme noktaları katılaşma cephesinin önünde olduğundan, dendritik yapıların büyümesi gerçekleşmez.
Ultrasonik tedaviden sonra Ti alaşımının makro yapısı. Ultrasonication önemli ölçüde rafine bir tane yapısı ile sonuçlanır.
Bayreuth Üniversitesi'nden Dr. Andreeva-Bäumler, metallerin nano yapılandırılması üzerine ultrasonicator UIP1000hdT ile çalışıyor.
Alaşım Vicker sertliği üzerinde ultrasonik etkiler: Ultrasonication metalde Vickers mikrosertliğini artırır
(çalışma ve grafik: ©Ruirun ve ark., 2017)
Dendrit Parçalanması: Dendritlerin erimesi, yerel sıcaklık artışı ve ayrışma nedeniyle genellikle kökte başlar. Sonikasyon, eriyikte güçlü konveksiyon (bir sıvının kütle hareketi ile ısı transferi) ve şok dalgaları üretir, böylece dendritler parçalanır. Konveksiyon, aşırı yerel sıcaklıkların yanı sıra bileşim varyasyonları nedeniyle dendrit parçalanmasını teşvik edebilir ve çözünen maddenin difüzyonunu teşvik edebilir. Kavitasyon şok dalgaları, eriyen köklerin kırılmasına yardımcı olur.
Metalik alaşımların ultrasonik gazdan arındırılması
Gaz giderme, güç ultrasoniklerinin sıvı ve yarı katı metaller ve alaşımlar üzerindeki bir diğer önemli etkisidir. Akustik kavitasyon, alternatif düşük basınç / yüksek basınç döngüleri oluşturur. Düşük basınç döngüleri sırasında, sıvı veya bulamaçta küçük vakum kabarcıkları meydana gelir. Bu vakum kabarcıkları, hidrojen ve buhar kabarcıklarının oluşumu için çekirdek görevi görür. Daha büyük hidrojen kabarcıklarının oluşması nedeniyle, gaz kabarcıkları yükselir. Akustik akış ve akış, bu kabarcıkların yüzeye çıkmasına ve eriyiğin dışına çıkmasına yardımcı olur, böylece gaz uzaklaştırılabilir ve eriyikteki gaz konsantrasyonu azaltılır.
Ultrasonik gaz giderme, metalin gözenekliliğini azaltır ve böylece nihai metal / alaşımlı üründe daha yüksek bir malzeme yoğunluğu elde eder.
Alüminyum alaşımlarının ultrasonik gaz giderme, malzemenin nihai gerilme mukavemetini ve sünekliğini arttırır. Endüstriyel güç ultrason sistemleri, etkinlik ve işlem süresi açısından diğer ticari gaz giderme yöntemleri arasında en iyisi olarak sayılır. Ayrıca, eriyiğin daha düşük viskozitesi nedeniyle kalıp doldurma işlemi iyileştirilir.
Çeşitli sonikasyon süreleri altında Ti44Al6Nb1Cr2V'nin sıkıştırma özellikleri. Sonikasyon, basınç dayanımını önemli ölçüde artırır.
(çalışma ve grafik: ©Ruirun ve ark., 2017)
Seramik sonotrot BS4D22L3C, erimiş alüminyum gibi yüksek sıcaklıktaki sıvıları (örneğin karıştırma ve gazdan arındırma için) sonikasyon yapmak için uygun özel bir sonotrottur.
Filtrasyon Sırasında Sonokapiller Etki
Sıvı metallerdeki ultrasonik kılcal etki, eriyiklerin ultrasonik destekli filtrasyonu sırasında oksit kalıntılarını gidermek için itici etkidir. (Eskin vd. 2014: 120 vd.)
Filtrasyon, metalik olmayan safsızlıkları eriyikten uzaklaştırmak için kullanılır. Filtrasyon sırasında eriyik, istenmeyen kalıntıları ayırmak için çeşitli ağlardan (örn. cam elyafı) geçer. Ağ boyutu ne kadar küçük olursa, filtrasyon sonucu o kadar iyi olur.
Yaygın koşullar altında, eriyik, 0,4-0,4 mm gibi çok dar bir gözenek boyutuna sahip iki katmanlı bir filtreyi geçemez. Bununla birlikte, ultrasonik destekli filtrasyon altında, sonotapiller etki nedeniyle eriyiğin ağ gözeneklerini geçmesi sağlanır. Bu durumda, filtre kılcal damarları 1-10μm'lik metalik olmayan safsızlıkları bile korur. Alaşımın saflığının artması nedeniyle, oksitlerde hidrojen gözeneklerinin oluşumu önlenir, böylece alaşımın yorulma mukavemeti artar.
Eskin ve ark. (2014: 120ff.), ultrasonik filtrasyonun AA2024, AA7055 ve AA7075 alüminyum alaşımlarını 0.6 ile çok katmanlı cam elyaf filtreler (9 katmana kadar) kullanarak saflaştırmayı mümkün kıldığını göstermiştir×0.6mm ağ gözenekleri. Ultrasonik filtrasyon işlemi, aşılayıcıların eklenmesiyle birleştirildiğinde, eşzamanlı bir tahıl arıtması elde edilir.
Metal Alaşımlarının Ultrasonik Takviyesi
Ultrasonikasyonun nano parçacıkları düzgün bir şekilde bulamaçlara dağıtmada oldukça etkili olduğu kanıtlanmıştır. Bu nedenle, ultrasonik dağıtıcılar, nano takviyeli kompozitler üretmek için en yaygın ekipmandır.
Nano parçacıklar (ör. Al2O3/SiC, CNT'ler) takviye malzemesi olarak kullanılır. Nano parçacıklar erimiş alaşıma eklenir ve ultrasonik olarak dağıtılır. Akustik kavitasyon ve akış, parçacıkların topaklanmasını ve ıslanabilirliğini iyileştirir, bu da gelişmiş bir gerilme mukavemeti, akma mukavemeti ve uzama ile sonuçlanır.
Ağır Hizmet Uygulamaları için Ultrasonik Ekipman
Metalurjide güç ultrason uygulaması, zorlu ortamlarda kurulabilen sağlam, güvenilir ultrasonik sistemler gerektirir. Hielscher Ultrasonics, ağır hizmet tipi uygulamalarda ve zorlu ortamlarda kurulumlar için endüstriyel sınıf ultrasonik ekipman sağlar. Tüm ultrasonicator'larımız 7/24 çalışma için üretilmiştir. Hielscher yüksek güçlü ultrasonik sistemler sağlamlık, güvenilirlik ve hassas kontrol edilebilirlik ile eşleştirilmiştir.
Zorlu süreçler – metal eriyiklerinin rafine edilmesi gibi – yoğun sonikasyon yeteneği gerektirir. Hielscher Ultrasonik endüstriyel ultrasonik işlemciler çok yüksek genlikler sunar. 200μm'ye kadar genlikler, 7/24 çalışmada kolayca sürekli olarak çalıştırılabilir. Daha da yüksek genlikler için, özelleştirilmiş ultrasonik sonotrodlar mevcuttur.
Çok yüksek sıvı ve eriyik sıcaklıklarının sonikasyonu için, Hielscher optimum işleme sonuçları sağlamak için çeşitli sonotrodlar ve özelleştirilmiş aksesuarlar sunar.
Aşağıdaki tablo size ultrasonicators'ımızın yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesini verir:
| Numune Hacmi | Akış Oranı | Önerilen Cihaz |
|---|---|---|
| 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 büyük | grubu UIP16000 |
Bizimle İletişime Geçin! / Bize Sor!
Literatür/Referanslar
- 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.
Bilmeye Değer Gerçekler
Güç Ultrason ve Kavitasyon
Yüksek yoğunluklu ultrasonik dalgalar sıvılara veya bulamaçlara bağlandığında, Kavitasyon Oluşur.
Yüksek güçlü, düşük frekanslı ultrason, sıvılarda ve bulamaçlarda kontrollü bir şekilde kavitasyon kabarcıklarının oluşmasına neden olur. Yoğun ultrason dalgaları, sıvıda alternatif düşük basınç / yüksek basınç döngüleri oluşturur. Bu hızlı basınç değişiklikleri, kavitasyon kabarcıkları olarak adlandırılan boşluklar oluşturur. Ultrasonik olarak indüklenen kavitasyon kabarcıkları, çözünmüş moleküllerden serbest radikaller gibi aktif türlerin oluşumunun meydana geldiği mikroskobik ölçekte yüksek sıcaklık ve basınç sağlayan kimyasal mikroreaktörler olarak düşünülebilir. Malzeme kimyası bağlamında, ultrasonik kavitasyon, yüksek sıcaklık (5000 K'ya kadar) ve yüksek basınç (500atm) reaksiyonlarını lokal olarak katalize etme potansiyeline sahipken, sistem makroskopik olarak oda sıcaklığına ve ortam basıncına yakın kalır. (bkz. Skorb, Andreeva 2013)
Ultrasonik tedaviler esas olarak kavitasyonel etkilere dayanır. Metalurji için, sonikasyon, metallerin ve alaşımların dökümünü geliştirmek için oldukça avantajlı bir tekniktir.
Metal eriyiklerinin işlenmesinin yanı sıra, sonikasyon, titanyum ve alaşımlar gibi katı metal yüzeylerde sünger benzeri nanoyapılar ve nano desenler oluşturmak için de kullanılır. Bu ultrasonik olarak nanoyapılı titanyum ve alaşımlı parçalar, gelişmiş osteojenik hücre proliferasyonuna sahip implantlar olarak büyük kapasite gösterir. Titanyum implantların ultrasonik nano yapısı hakkında daha fazla bilgi edinin!