Zasada i wprowadzenie ultradźwiękowej atomizacji metali

Technologia atomizacji ultradźwiękowej jest wydajną i tanią metodą wytwarzania drobnych proszków metali. Proszki wytwarzane tą metodą charakteryzują się dobrą kulistością, kontrolowaną wielkością cząstek i wąskim rozkładem wielkości, co czyni ją obiecującą technologią w przemyśle proszków metali. Ultradźwiękowa atomizacja metali jest jednym z zastosowań technologii ultradźwiękowej atomizacji, a jej zasady są podobne do zasad atomizacji ultradźwiękowej.

Ultradźwiękowa atomizacja metalu polega na procesie przekształcania stopionego metalu (cieczy) w drobne kropelki mgły w fazie gazowej. Na powierzchnię roztopionego metalu przykładane są wibracje ultradźwiękowe o wysokiej częstotliwości, powodując oddzielanie się i odrywanie kropelek od powierzchni w wyniku szczytów fal ultradźwiękowych. W miarę stopniowego zwiększania częstotliwości ultradźwięków atomizowane kropelki stają się coraz drobniejsze. Dzięki ciągłemu działaniu wibracji ultradźwiękowych można uzyskać niezwykle drobne kropelki.

Formy ultradźwiękowej atomizacji metali

Ultradźwiękowa atomizacja metali to proces wykorzystujący wibracje ultradźwiękowe o wysokiej częstotliwości do generowania drobnych kropelek mgły ze stopionego metalu w fazie gazowej, które następnie po ochłodzeniu zestalają się w proszek metalowy.

Pierwsza forma polega na bezpośrednim lub pośrednim kontakcie roztopionego metalu z ultradźwiękową głowicą atomizującą. Fale elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości generowane przez generator są przetwarzane i wzmacniane przez przetwornik ultradźwiękowy i modulator amplitudy, ostatecznie przenosząc wibracje o wysokiej częstotliwości na przepływ stopionego metalu. Roztopiony metal jest rozpylany pod wpływem wibracji ultradźwiękowych o wysokiej częstotliwości.

Druga forma polega na skupieniu energii generowanej przez wibracje ultradźwiękowe o wysokiej częstotliwości na małej przestrzeni i bezpośrednim wykorzystaniu ultradźwięków do atomizacji roztopionego metalu.

Trzecia forma łączy atomizację ultradźwiękową z tradycyjnymi technikami atomizacji, tworząc nową technologię atomizacji hybrydowej.

Mechanizm atomizacji ultradźwiękowej

Istnieją dwa wyjaśnienia mechanizmu atomizacji ultradźwiękowej: teoria fali napięcia powierzchniowego i teoria fali mikrouderzeniowej. Kompromisowy punkt widzenia sugeruje, że obie teorie odgrywają rolę w atomizacji ultradźwiękowej.

Teoria fali napięcia powierzchniowego

Pod wpływem fal napięcia powierzchniowego, gdy amplituda wibrującej cieczy osiągnie określoną wartość, kropelki wylatują ze szczytu fali i tworzą mgłę. Fale napięcia powierzchniowego generują kropelki na szczytach fal, a wielkość kropelek jest proporcjonalna do długości fali fal napięcia powierzchniowego. Pod wpływem fal napięcia powierzchniowego ciekły metal jest atomizowany z powierzchni pod wpływem częstotliwości ultradźwiękowej i wibrującej powierzchni kropelek. Podczas ultradźwiękowej atomizacji gazu przepływ stopionego metalu jest zakłócany i fragmentowany przez wiele szybkich impulsów gazu.

Teoria fali mikrowstrząsowej

Teoria fali mikrouderzeniowej sugeruje, że atomizacja ultradźwiękowa jest powiązana z kawitacją, która odnosi się do wytwarzania dużej liczby pęcherzyków, gdy na roztopiony metal działają wibracje ultradźwiękowe o wysokiej częstotliwości. Te bąbelki stale rosną i zapadają się. Podczas zamykania się pęcherzyków drgania działające na ciecz zamieniają się w pracę wykonaną nad pęcherzykami. Kiedy pęcherzyki zapadają się, część ich energii zamieniana jest na promieniowanie cieplne i świetlne, a pozostała energia wytwarza promieniowanie w formie fali mikrouderzeniowej. Teoria ta sugeruje, że kawitacja spowodowana drganiami ultradźwiękowymi o wysokiej częstotliwości pod powierzchnią cieczy ostatecznie prowadzi do powstawania kropelek.

Wprowadzenie do sprzętu

Generator ultradźwiękowy

Generator ultradźwiękowy przekształca napięcie prądu przemiennego 220 V w oscylacje elektryczne o wysokiej częstotliwości, aby zapewnić wystarczającą energię elektryczną dla całego sprzętu do atomizacji.

Przetwornik ultradźwiękowy

Najpopularniejszym typem jest piezoelektryczny przetwornik ceramiczny typu kanapkowego. Jego funkcją jest przekształcanie sygnałów oscylacji elektrycznych o wysokiej częstotliwości w wibracje mechaniczne, przekształcając energię elektryczną w wibracje o wysokiej częstotliwości.

Modulator amplitudy

Ultradźwiękowy modulator amplitudy, znany również jako koncentrator ultradźwiękowy, wzmacnia przemieszczenie i prędkość drgań mechanicznych, koncentrując energię ultradźwiękową na mniejszym obszarze.

Głowica atomizująca

Głowica atomizująca ultradźwiękowa jest elementem mającym bezpośredni kontakt z materiałem i zazwyczaj jest wykonana ze stopu. Temperatura topnienia rozpylanego metalu jest ograniczona materiałem głowicy atomizującej, co czyni tę metodę bardziej odpowiednią do wytwarzania metali i stopów o średniej i niskiej temperaturze topnienia. Przetwornik i modulator amplitudy przekazują drgania o wysokiej częstotliwości do głowicy atomizującej, która oddziałuje na roztopiony metal, przekształcając go w drobne cząstki lub proszek.

Proces atomizacji

Ultradźwiękowa atomizacja metalu to proces wykorzystujący szybkie wibracje ultradźwiękowe do uderzania i atomizowania przepływów stopionego metalu lub stopu, ostatecznie wytwarzając drobny proszek metalowy. Atomizacja ultradźwiękowa metalu polega na tym, że generator przekształca prąd przemienny w fale elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości, które następnie są przekształcane przez przetwornik ultradźwiękowy w wibracje o wysokiej częstotliwości. Wzmocnione wibracje są ostatecznie przenoszone na głowicę narzędzia (głowicę atomizującą) za pomocą modulatora amplitudy. Kiedy ultradźwiękowa głowica atomizująca działa na roztopiony metal, stopiony metal rozprzestrzenia się w ciekłą warstwę pod wpływem wibracji o wysokiej częstotliwości. Kiedy amplituda ultradźwiękowa osiągnie określony poziom, stopiony metal zostaje rozbity, a rozdrobnione kropelki wylatują z wibrującej powierzchni, tworząc mgłę.

Proces ultradźwiękowej atomizacji metalu można z grubsza podzielić na dwa etapy: fragmentację i kondensację. Pierwszy etap polega na rozbiciu podgrzanego i stopionego metalu lub stopu, w wyniku czego powstają kropelki metalu i wpływają na wielkość końcowego proszku metalu. Drugi etap kondensacji warunkuje powstawanie końcowych cząstek metalu, bezpośrednio wpływając na kształt proszku metalicznego i polega głównie na przewodzeniu ciepła.