Ультразвукове очищення металевих розплавів
- Потужний ультразвук у розплавлених металах і сплавах виявляє різноманітні корисні ефекти, такі як структурування, дегазація та покращена фільтрація.
- Ультразвукова обробка сприяє недендритній кристалізації в рідких і напіврідких металах.
- Ультразвукова обробка має значні переваги для мікроструктурного очищення дендритних зерен і первинних інтерметалевих частинок.
- Крім того, потужний ультразвук можна цілеспрямовано використовувати для зменшення пористості металу або для створення мезопористих структур.
- І нарешті, потужний ультразвук покращує якість лиття.
Ультразвукова кристалізація металевих розплавів
Утворення недендритних структур під час кристалізації металевих розплавів впливає на властивості матеріалу, такі як міцність, пластичність, в’язкість і/або твердість.
Змінена ультразвуком нуклеація зерен: Акустична кавітація та її інтенсивні зсувні сили збільшують кількість центрів нуклеації та ядер у розплаві. Ультразвукова обробка розплавів призводить до гетерогенної нуклеації та фрагментації дендритів, так що кінцевий продукт демонструє значно вище очищення зерна.
Ультразвукова кавітація забезпечує рівномірне змочування неметалевих домішок у розплаві. Ці домішки перетворюються на центри нуклеації, які є початковими точками кристалізації. Оскільки ці точки нуклеації знаходяться попереду фронту кристалізації, ріст дендритних структур не відбувається.
Макроструктура Ti-сплаву після ультразвукової обробки. Ультразвукова обробка призводить до значно очищеної зернистої структури.
Д-р Андрєєва-Баумлер, Університет Байройта, працює з ультразвуковим апаратом UIP1000hdT над наноструктуруванням металів.
Ультразвукові ефекти на твердість за Вікерсом сплаву: ультразвукова обробка покращує мікротвердість за Вікерсом у металі
(дослідження та графік: ©Ruirun et al., 2017)
Фрагментація дендритів: Плавлення дендритів зазвичай починається з кореня через локальне підвищення температури та сегрегацію. Ультразвукова обробка генерує сильну конвекцію (перенесення тепла масовим рухом рідини) та ударні хвилі в розплаві, так що дендрити фрагментуються. Конвекція може сприяти фрагментації дендритів через екстремальні локальні температури, а також варіації складу та сприяє дифузії розчиненої речовини. Ударні хвилі кавітації сприяють руйнуванню цих плавких коренів.
Ультразвукова дегазація металевих сплавів
Дегазація – це ще один важливий ефект потужного ультразвуку на рідкі та напіврідкі метали і сплави. Акустична кавітація створює чергування циклів низького тиску / високого тиску. Під час циклів низького тиску в рідині або суспензії утворюються крихітні вакуумні бульбашки. Ці вакуумні бульбашки діють як ядра для утворення бульбашок водню та пари. Через утворення більших бульбашок водню газові бульбашки піднімаються. Акустичний потік та стрімінг сприяють спливанню цих бульбашок на поверхню та з розплаву, так що газ може бути видалений, а концентрація газу в розплаві зменшується.
Ультразвукова дегазація зменшує пористість металу, досягаючи тим самим вищої щільності матеріалу в кінцевому продукті з металу / сплаву.
Ультразвукова дегазація алюмінієвих сплавів підвищує межу міцності на розрив та пластичність матеріалу. Промислові системи потужного ультразвуку вважаються найкращими серед інших комерційних методів дегазації щодо ефективності та часу обробки. Крім того, процес заповнення форми покращується через нижчу в’язкість розплаву.
Стискувальні властивості Ti44Al6Nb1Cr2V при різних часах ультразвукової обробки. Ультразвукова обробка значно покращує міцність на стиск.
(дослідження та графік: ©Ruirun et al., 2017)
Керамічний сонотрод BS4D22L3C – це спеціальний сонотрод, придатний для ультразвукової обробки високотемпературних рідин, таких як розплавлений алюміній (наприклад, для змішування та дегазації).
Сонокапілярний ефект під час фільтрації
Ультразвуковий капілярний ефект у рідких металах є рушійним ефектом для видалення оксидних включень під час ультразвуково-асистованої фільтрації розплавів. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Фільтрація використовується для видалення неметалевих домішок із розплаву. Під час фільтрації розплав проходить через різні сітки (наприклад, зі скловолокна), щоб відокремити небажані включення. Чим менший розмір сітки, тим кращий результат фільтрації.
За звичайних умов розплав не може пройти через двошаровий фільтр із дуже вузьким розміром пор 0,4–0,4mm. Однак за умов ультразвуково-асистованої фільтрації розплав отримує можливість проходити через пори сітки завдяки сонокапілярному ефекту. У цьому випадку капіляри фільтра затримують навіть неметалеві домішки розміром 1–10μm. Завдяки підвищеній чистоті сплаву утворення пор водню на оксидах уникається, так що втомна міцність сплаву збільшується.
Eskin et al. (2014: 120ff.) показали, що ультразвукова фільтрація робить можливим очищення алюмінієвих сплавів AA2024, AA7055 та AA7075 з використанням багатошарових фільтрів зі скловолокна (з до 9 шарів) з порами сітки 0,6×0,6mm. Коли процес ультразвукової фільтрації поєднується з додаванням модифікаторів, досягається одночасне очищення зерна.
Ультразвукове армування металевих сплавів
Доведено, що ультразвукова обробка є високоефективною для рівномірного диспергування наночастинок у суспензії. Тому ультразвукові диспергатори є найпоширенішим обладнанням для виробництва наноструктурованих композитів.
Наночастинки (наприклад, Al2O3/SiC, CNTs) використовуються як армуючий матеріал. Наночастинки додаються в розплавлений сплав і диспергуються ультразвуком. Акустична кавітація та стрімінг покращують дезагломерацію та змочуваність частинок, що призводить до покращеної міцності на розрив, межі текучості та подовження.
Ультразвукове обладнання для важких умов експлуатації
Застосування потужного ультразвуку в металургії вимагає міцних, надійних ультразвукових систем, які можна встановлювати у складних умовах. Hielscher Ultrasonics постачає промислове ультразвукове обладнання для встановлення у важких умовах експлуатації та суворих середовищах. Усі наші ультразвукові апарати розроблені для роботи 24/7. Високопотужні ультразвукові системи Hielscher поєднують міцність, надійність та точну керованість.
Складні процеси – такі як очищення металевих розплавів – потребують можливості інтенсивної ультразвукової обробки. Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics забезпечують дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200µm можна легко підтримувати безперервно в режимі 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди.
Для ультразвукової обробки дуже високих температур рідин і розплавів Hielscher пропонує різноманітні сонотроди та індивідуальні аксесуари, щоб забезпечити оптимальні результати обробки.
Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:
| Об’єм партії | Об’ємна витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| 10 to 2000mL | 20 to 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 to 20L | 0,2 to 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 to 100L | 2 to 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 to 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | більше | кластер UIP16000 |
Зв’яжіться з нами! / Запитайте нас!
Література/Посилання
- 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.
Факти, які варто знати
Потужний ультразвук і кавітація
Коли високі інтенсивні ультразвукові хвилі вводяться в рідини або суспензії, виникає явище кавітації .
Ультразвук високої потужності та низької частоти спричиняє утворення кавітаційних бульбашок у рідинах і суспензіях контрольованим чином. Інтенсивні ультразвукові хвилі генерують чергування циклів низького тиску / високого тиску в рідині. Ці швидкі зміни тиску створюють порожнини, так звані кавітаційні бульбашки. Кавітаційні бульбашки, індуковані ультразвуком, можна розглядати як хімічні мікрореактори, що забезпечують високі температури та тиски на мікроскопічному рівні, де відбувається утворення активних частинок, таких як вільні радикали, з розчинених молекул. У контексті хімії матеріалів ультразвукова кавітація має унікальний потенціал локального каталізу високотемпературних (до 5000 K) і високоатмосферних (500atm) реакцій, тоді як система залишається макроскопічно близькою до кімнатної температури та атмосферного тиску. (див. Skorb, Andreeva 2013)
Ультразвукові обробки переважно базуються на кавітаційних ефектах. Для металургії ультразвукова обробка є вкрай вигідною технікою для покращення лиття металів і сплавів.
Окрім обробки металевих розплавів, ультразвукова обробка також використовується для створення губчастих наноструктур і нанорисунків на твердих металевих поверхнях, таких як титан і сплави. Ці титанові та сплавні деталі, наноструктуровані ультразвуком, демонструють велику здатність як імпланти з посиленим остеогенним розмноженням клітин. Дізнайтеся більше про ультразвукове наноструктурування титанових імплантів!