Ультразвукове рафінування металевих розплавів
- Енергетичний ультразвук в розплавлених металах і сплавах показує різні корисні ефекти, такі як структурування, дегазація і поліпшення фільтрації.
- Ультразвук сприяє недендритному затвердінню в рідких і напівтвердих металах.
- Ультразвуковий звук має значні переваги для мікроструктурного очищення дендритних зерен і первинних інтерметалідних частинок.
- Крім того, силовий ультразвук може використовуватися цілеспрямовано для зменшення пористості металу або для отримання мезопористих структур.
- І останнє, але не менш важливе: потужний ультразвук покращує якість виливків.
Ультразвукове затвердіння металевих розплавів
Утворення недендритних структур під час затвердіння металевих розплавів впливає на такі властивості матеріалу, як міцність, пластичність, ударна в'язкість та/або твердість.
Ультразвуково змінене зародження зерна: Акустична кавітація і її інтенсивні зсувні сили збільшують місця зародження і число ядер в розплаві. Ультразвукова обробка розплавів призводить до неоднорідного зародження та фрагментації дендритів, завдяки чому кінцевий продукт демонструє значно вищу подрібненість зерна.
Ультразвукова кавітація викликає рівномірне змокання неметалевих домішок в розплаві. Ці домішки перетворюються в ділянки зародження, які є відправними точками затвердіння. Оскільки ці точки зародження знаходяться попереду фронту затвердіння, зростання дендритних структур не відбувається.
Макроструктура сплаву Ti після ультразвукової обробки. В результаті ультразвуку структура зерна значно очищається.
Доктор Андреєва-Боймлер з Байройтського університету працює з ультразвуковим апаратом UIP1000hdT над наноструктуруванням металів.
Ультразвуковий вплив на твердість сплаву Вікера: ультразвук покращує мікротвердість металу за Віккерсом
(дослідження та графіка: ©Ruirun et al., 2017)
Фрагментація дендритів: Плавлення дендритів зазвичай починається з кореня внаслідок місцевого підвищення температури і сегрегації. Ультразвук генерує сильну конвекцію (передачу тепла шляхом масового руху рідини) і ударні хвилі в розплаві, завдяки чому дендрити фрагментуються. Конвекція може сприяти фрагментації дендритів через екстремальні місцеві температури, а також зміни складу, і сприяє дифузії розчиненої речовини. Кавітаційні ударні хвилі сприяють поломці тих коренів, що тануть.
Ультразвукова дегазація металевих сплавів
Дегазація - ще один важливий вплив силового ультразвуку на рідкі і напівтверді метали і сплави. Акустична кавітація створює чергування циклів низького тиску / високого тиску. Під час циклів низького тиску в рідині або суспензії виникають крихітні бульбашки вакууму. Ці вакуумні бульбашки виступають ядрами для утворення бульбашок водню і пари. За рахунок утворення більших бульбашок водню бульбашки газу піднімаються. Акустичний потік і потік сприяють спливанню цих бульбашок на поверхню та з розплаву, завдяки чому газ може бути видалений, а концентрація газу в розплаві зменшується.
Ультразвукова дегазація знижує пористість металу, досягаючи тим самим більш високої щільності матеріалу в кінцевому металевому / сплавному виробі.
Ультразвукова дегазація алюмінієвих сплавів підвищує граничну міцність на розрив і пластичність матеріалу. Промислові енергетичні ультразвукові системи вважаються найкращими серед інших комерційних методів дегазації за ефективністю та часом обробки. Більш того, процес заповнення форми поліпшується за рахунок меншої в'язкості розплаву.
Компресійні властивості Ti44Al6Nb1Cr2V при різних часах ультразвуку. Ультразвуковий звук значно підвищує міцність на стиск.
(дослідження та графіка: ©Ruirun et al., 2017)
Керамічний сонотрод BS4D22L3C - це спеціальний сонотрод, який підходить для ультразвуку високотемпературних рідин, таких як розплавлений алюміній (наприклад, для змішування та дегазації).
Сонокапілярний ефект при фільтрації
Ультразвуковий капілярний ефект у рідких металах є рушійним ефектом для видалення оксидних включень під час ультразвукової фільтрації розплавів. (Ескін та ін. 2014: 120 і далі.)
Фільтрація використовується для видалення з розплаву неметалевих домішок. Під час фільтрації розплав проходить через різні сітки (наприклад, скловолокно) для відділення небажаних включень. Чим менше розмір осередків, тим краще результат фільтрації.
У звичайних умовах розплав не може пройти двошаровий фільтр з дуже вузьким розміром пір 0,4-0,4 мм. Однак при ультразвуковій фільтрації розплав має можливість пропускати сітчасті пори завдяки сонокапілярному ефекту. При цьому капіляри фільтра затримують навіть неметалеві домішки 1-10 мкм. Завдяки підвищеній чистоті сплаву вдається уникнути утворення водневих пір в оксидах, завдяки чому втомна міцність сплаву підвищена.
Eskin et al. (2014: 120ff.) показали, що ультразвукова фільтрація дозволяє очищати алюмінієві сплави AA2024, AA7055 і AA7075 за допомогою багатошарових фільтрів зі скловолокна (до 9 шарів) з 0,6×0Пори сітки .6 мм. Коли процес ультразвукової фільтрації поєднується з додаванням інокулянтів, досягається одночасне подрібнення зерна.
Ультразвукове армування металевих сплавів
Доведено, що ультразвук дуже ефективний при рівномірному розподілі наночастинок у суспензії. Тому ультразвукові диспергатори є найбільш поширеним обладнанням для виробництва наноармованих композитів.
Наночастинки (наприклад, Al2O3/SiC, CNTs) використовуються як армуючий матеріал. Наночастинки додаються в розплавлений сплав і диспергуються ультразвуковим способом. Акустична кавітація та потоки покращують деагломерацію та змочуваність частинок, що призводить до покращення міцності на розрив, межі текучості та подовження.
Ультразвукове обладнання для важких умов експлуатації
Застосування енергетичного ультразвуку в металургії вимагає надійних, надійних ультразвукових систем, які можуть бути встановлені в складних умовах. Hielscher Ultrasonics постачає ультразвукове обладнання промислового класу для установок у важких умовах і важких умовах. Усі наші ультразвукові апарати створені для роботи 24/7. Ультразвукові системи високої потужності Hielscher поєднуються з міцністю, надійністю і точною керованістю.
Складні процеси – Наприклад, рафінування металевих розплавів – вимагають здатності до інтенсивного ультразвукового дослідження. Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics видають дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно працювати в режимі 24/7. Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди.
Для ультразвукування дуже високих температур рідини та розплаву компанія Hielscher пропонує різноманітні сонотроди та індивідуальні аксесуари для забезпечення оптимальних результатів обробки.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:
| Об'єм партії | Витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| Від 10 до 2000 мл | Від 20 до 400 мл/хв | UP200Ht, UP400St |
| 0від 1 до 20 л | 0від .2 до 4 л/хв | UIP2000HDT |
| Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л/хв | UIP4000 |
| Н.А. | Від 10 до 100 л/хв | UIP16000 |
| Н.А. | Більше | кластер UIP16000 |
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
Література/Список літератури
- 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
Силове УЗД і кавітація
Коли високі інтенсивні ультразвукові хвилі з'єднуються з рідинами або суспензіями, явище Кавітації Відбувається.
Ультразвук високої потужності та низької частоти спричиняє утворення кавітаційних бульбашок у рідинах та суспензіях контрольованим чином. Інтенсивні ультразвукові хвилі породжують в рідині почергові цикли низького / високого тиску. Ці швидкі зміни тиску утворюють порожнечі, так звані кавітаційні бульбашки. Ультразвуково індуковані кавітаційні бульбашки можна розглядати як хімічні мікрореактори, що забезпечують високі температури і тиск в мікроскопічному масштабі, де відбувається утворення активних видів, таких як вільні радикали з розчинених молекул. У контексті хімії матеріалів ультразвукова кавітація має унікальний потенціал локального каталізу реакцій високої температури (до 5000 К) та високого тиску (500 атм), тоді як система макроскопічно залишається близькою до кімнатної температури та тиску навколишнього середовища. (пор. Скорб, Андрєєва 2013)
Ультразвукове лікування в основному засноване на кавітаційному впливі. Для металургії ультразвук є дуже вигідним методом поліпшення лиття металів і сплавів.
Крім обробки металевих розплавів, ультразвук також використовується для створення губчастих наноструктур і нано-візерунків на твердих металевих поверхнях, таких як титан і сплави. Ці ультразвуково наноструктуровані деталі з титану та сплаву демонструють велику здатність як імплантати з посиленою остеогенною проліферацією клітин. Дізнайтеся більше про ультразвукове наноструктурування титанових імплантатів!