Siêu âm tinh chế kim loại nóng chảy
- Siêu âm điện trong kim loại nóng chảy và hợp kim cho thấy các tác dụng có lợi khác nhau như cấu trúc, khử khí và cải thiện lọc.
- Ultrasonication thúc đẩy sự hóa rắn không đuôi gai trong kim loại lỏng và bán rắn.
- Sonication có lợi ích đáng kể trong việc tinh chỉnh cấu trúc vi mô của hạt đuôi gai và các hạt intermetallic chính.
- Hơn nữa, siêu âm điện có thể được sử dụng có mục đích để giảm độ xốp kim loại hoặc để tạo ra các cấu trúc xốp meso.
- Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, siêu âm điện cải thiện chất lượng đúc.
Siêu âm hóa rắn kim loại nóng chảy
Sự hình thành các cấu trúc không đuôi gai trong quá trình hóa rắn kim loại nóng chảy ảnh hưởng đến các tính chất vật liệu như độ bền, độ dẻo, độ dẻo dai và / hoặc độ cứng.
Tạo mầm hạt thay đổi siêu âm: Sự xâm thực âm thanh và lực cắt mạnh của nó làm tăng các vị trí tạo mầm và số lượng hạt nhân trong quá trình tan chảy. Xử lý siêu âm tan chảy dẫn đến sự tạo mầm không đồng nhất và sự phân mảnh của đuôi gai, do đó sản phẩm cuối cùng cho thấy sự tinh chế hạt cao hơn đáng kể.
Siêu âm cavitation gây ra sự làm ướt thậm chí của các tạp chất phi kim loại trong sự tan chảy. Những tạp chất đó biến thành vị trí tạo mầm, là điểm khởi đầu của quá trình hóa rắn. Bởi vì những điểm tạo mầm đó đi trước mặt trận đông đặc, sự phát triển của các cấu trúc đuôi gai không xảy ra.
Cấu trúc vĩ mô của hợp kim Ti sau khi xử lý siêu âm. Ultrasonication kết quả trong một cấu trúc hạt tinh chế đáng kể.
Tiến sĩ Andreeva-Bäumler, Đại học Bayreuth, đang làm việc với ultrasonicator UIP1000hdT về cấu trúc nano của kim loại.
Hiệu ứng siêu âm trên hợp kim Độ cứng Vicker: Ultrasonication cải thiện độ cứng vi mô Vickers trong kim loại
(nghiên cứu và đồ họa: ©Ruirun et al., 2017)
Phân mảnh Dendrite: Sự tan chảy của đuôi gai thường bắt đầu từ gốc do sự gia tăng nhiệt độ cục bộ và sự phân tách. Sonication tạo ra sự đối lưu mạnh (truyền nhiệt bằng chuyển động khối lượng của chất lỏng) và sóng xung kích trong quá trình tan chảy, do đó các đuôi gai bị phân mảnh. Đối lưu có thể thúc đẩy sự phân mảnh đuôi gai do nhiệt độ cục bộ khắc nghiệt cũng như sự thay đổi thành phần và thúc đẩy sự khuếch tán của chất tan. Các sóng xung kích xâm thực hỗ trợ phá vỡ những rễ tan chảy đó.
Khử khí siêu âm của hợp kim kim loại
Khử khí là một hiệu ứng quan trọng khác của siêu âm điện trên kim loại lỏng và bán rắn và hợp kim. Sự xâm thực âm thanh tạo ra các chu kỳ áp suất thấp / áp suất cao xen kẽ. Trong các chu kỳ áp suất thấp, bong bóng chân không nhỏ xảy ra trong chất lỏng hoặc bùn. Những bong bóng chân không này hoạt động như hạt nhân cho sự hình thành bong bóng hydro và hơi. Do sự hình thành các bong bóng hydro lớn hơn, các bong bóng khí nổi lên. Dòng chảy âm thanh và dòng chảy hỗ trợ nổi của các bong bóng này lên bề mặt và ra khỏi sự tan chảy, do đó khí có thể được loại bỏ và nồng độ khí trong quá trình tan chảy được giảm.
Khử khí siêu âm làm giảm độ xốp của kim loại, do đó đạt được mật độ vật liệu cao hơn trong sản phẩm kim loại / hợp kim cuối cùng.
Khử khí siêu âm của hợp kim nhôm làm tăng độ bền kéo và độ dẻo cuối cùng của vật liệu. Hệ thống siêu âm công suất công nghiệp được tính là tốt nhất trong số các phương pháp khử khí thương mại khác về hiệu quả và thời gian xử lý. Hơn nữa, quá trình làm đầy khuôn được cải thiện do độ nhớt của sự tan chảy thấp hơn.
Tính chất nén của Ti44Al6Nb1Cr2V dưới thời gian sonication khác nhau. Sonication cải thiện cường độ nén đáng kể.
(nghiên cứu và đồ họa: ©Ruirun et al., 2017)
Sonotrode gốm BS4D22L3C là một sonotrode đặc biệt thích hợp để sonicate chất lỏng nhiệt độ cao như nhôm nóng chảy (ví dụ như để trộn và khử khí).
Tác dụng Sonocapillary trong quá trình lọc
Hiệu ứng mao mạch siêu âm trong kim loại lỏng là hiệu ứng lái xe để loại bỏ vùi oxit trong quá trình lọc siêu âm hỗ trợ tan chảy. (Eskin và cộng sự 2014: 120ff.)
Lọc được sử dụng để loại bỏ các tạp chất phi kim loại khỏi sự tan chảy. Trong quá trình lọc, sự tan chảy đi qua các mắt lưới khác nhau (ví dụ như sợi thủy tinh) để tách các tạp chất không mong muốn. Kích thước mắt lưới càng nhỏ thì kết quả lọc càng tốt.
Trong điều kiện thông thường, sự tan chảy không thể vượt qua bộ lọc hai lớp với kích thước lỗ rất hẹp 0,4-0,4mm. Tuy nhiên, dưới sự lọc hỗ trợ siêu âm, sự tan chảy được kích hoạt để vượt qua các lỗ chân lông lưới do hiệu ứng sonocapillary. Trong trường hợp này, các mao mạch lọc giữ lại ngay cả các tạp chất phi kim loại 1–10μm. Do độ tinh khiết của hợp kim được tăng cường, tránh được sự hình thành lỗ chân lông hydro ở các oxit, do đó độ bền mỏi của hợp kim được tăng lên.
Eskin et al. (2014: 120ff.) đã chỉ ra rằng lọc siêu âm làm cho nó có thể làm sạch các hợp kim nhôm AA2024, AA7055 và AA7075 bằng cách sử dụng bộ lọc sợi thủy tinh nhiều lớp (với tối đa 9 lớp) với 0,6×0Lỗ chân lông lưới .6mm. Khi quá trình lọc siêu âm được kết hợp với việc bổ sung các chất tiêm chủng, việc tinh chế hạt đồng thời đạt được.
Gia cố siêu âm hợp kim kim loại
Ultrasonication được chứng minh là có hiệu quả cao trong việc phân tán các hạt nano đồng đều thành bùn. Do đó, máy phân tán siêu âm là thiết bị phổ biến nhất để sản xuất vật liệu tổng hợp gia cố nano.
Hạt nano (ví dụ: Al2O3/SiC, CNT) được sử dụng làm vật liệu gia cố. Các hạt nano được thêm vào hợp kim nóng chảy và phân tán siêu âm. Sự xâm thực và phát trực tuyến âm thanh cải thiện khả năng khử kết tụ và độ ẩm của các hạt, dẫn đến độ bền kéo, độ bền năng suất và độ giãn dài được cải thiện.
Thiết bị siêu âm cho các ứng dụng nặng
Việc áp dụng siêu âm điện trong luyện kim đòi hỏi hệ thống siêu âm mạnh mẽ, đáng tin cậy, có thể được cài đặt trong môi trường đòi hỏi khắt khe. Hielscher Ultrasonics cung cấp thiết bị siêu âm cấp công nghiệp để cài đặt trong các ứng dụng nặng và môi trường khắc nghiệt. Tất cả các ultrasonicators của chúng tôi được xây dựng cho hoạt động 24/7. Hệ thống siêu âm công suất cao Hielscher được kết hợp với sự mạnh mẽ, độ tin cậy và khả năng kiểm soát chính xác.
Quy trình đòi hỏi khắt khe – chẳng hạn như tinh chế kim loại nóng chảy – đòi hỏi khả năng sonication cường độ cao. Bộ vi xử lý siêu âm công nghiệp Hielscher Ultrasonics cung cấp biên độ rất cao. Biên độ lên đến 200μm có thể dễ dàng chạy liên tục trong hoạt động 24/7. Đối với biên độ cao hơn, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn.
Đối với sonication của nhiệt độ lỏng và nóng chảy rất cao, Hielscher cung cấp các sonotrodes khác nhau và các phụ kiện tùy chỉnh để đảm bảo kết quả xử lý tối ưu.
Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:
| Khối lượng hàng loạt | Tốc độ dòng chảy | Thiết bị được đề xuất |
|---|---|---|
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400ml / phút | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1 đến 20L | 0.2 đến 4L / phút | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L / phút | UIP4000 |
| N.A. | 10 đến 100L / phút | UIP16000 |
| N.A. | Lớn | Cụm UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Hãy hỏi chúng tôi!
Văn học/Tài liệu tham khảo
- 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.
Sự thật đáng biết
Siêu âm điện và Cavitation
Khi sóng siêu âm cường độ cao được ghép thành chất lỏng hoặc bùn, hiện tượng Cavitation Xảy ra.
Công suất cao, siêu âm tần số thấp gây ra sự hình thành bong bóng xâm thực trong chất lỏng và bùn một cách có kiểm soát. Sóng siêu âm cường độ cao tạo ra các chu kỳ áp suất thấp / áp suất cao xen kẽ trong chất lỏng. Những thay đổi nhanh chóng của áp suất tạo ra khoảng trống, cái gọi là bong bóng xâm thực. Bong bóng xâm thực gây ra siêu âm có thể được coi là vi phản ứng hóa học cung cấp nhiệt độ và áp suất cao ở quy mô vi mô, nơi xảy ra sự hình thành các loài hoạt động như gốc tự do từ các phân tử hòa tan. Trong bối cảnh hóa học vật liệu, siêu âm cavitation có tiềm năng duy nhất của xúc tác cục bộ nhiệt độ cao (lên đến 5000 K) và áp suất cao (500atm) phản ứng, trong khi hệ thống vẫn còn vĩ mô gần nhiệt độ phòng và áp suất môi trường xung quanh. (xem Skorb, Andreeva 2013)
Phương pháp điều trị siêu âm chủ yếu dựa trên hiệu ứng cavitational. Đối với luyện kim, sonication là một kỹ thuật rất thuận lợi để cải thiện việc đúc kim loại và hợp kim.
Bên cạnh việc xử lý kim loại nóng chảy, sonication cũng được sử dụng để tạo ra các cấu trúc nano giống như bọt biển và các mẫu nano trên bề mặt kim loại rắn như titan và hợp kim. Những bộ phận titan và hợp kim có cấu trúc nano siêu âm này cho thấy khả năng lớn như cấy ghép với sự tăng sinh tế bào xương tăng cường. Đọc thêm về cấu trúc nano siêu âm của cấy ghép titan!