Ултразвучна обрада растопљеног алуминијума: принципи, примена и изгледи

Ултразвучна обрада растопљеног алуминијума: принципи, примена и изгледи

1. Увод

Алуминијум и његове легуре заузимају важну позицију у производњи машина, транспорту, ваздухопловству и другим областима због својих одличних својстава као што су висока специфична чврстоћа, отпорност на корозију и лака рециклажа. Величина зрна и организациона морфологија алуминијумских легура директно утичу на коначне перформансе материјала. Да би се постигле одличне перформансе, кључ је да се оригинални велики дендрити разбију у мала, уједначена зрна једнаких оса. Истовремено, водоник растворен у топљењу алуминијума је главни узрок дефеката као што су рупице и поре у одливцима. Како ефикасно дегазирати је такође дугорочан проблем са којим се суочава металуршка индустрија.

Традиционалне методе третмана – као што је ротационо отплињавање, додавање хемијских рафинера зрна, итд. – иако ефикасне у одређеној мери, имају проблеме као што су уска грла у ефикасности, промена састава легуре и повећање тежине рециклаже. Појава технологије ултразвучног третмана (УСТ) пружа зелено и ефикасно решење за рафинацију и контролу структуре растопљеног алуминијума.

2. Технички принципи

Срж ултразвучног третмана растопљеног алуминијума лежи у синергистичком ефекту ефекта кавитације и ефекта акустичног протока.

(1) Ефекат кавитације. Када се ултразвучни таласи велике снаге уведу у растоп алуминијума, у течности ће се појавити периодичне промене позитивног и негативног притиска. У фази негативног притиска, растоп се „цепа“ да би се формирале ситне кавитационе мехуриће; у фази позитивног притиска, ови мехурићи нагло колабирају, тренутно стварајући локалну високу температуру, висок притисак и јаке ударне таласе. Ова кавитација има вишеструке функције: с једне стране, ударни талас настао кавитацијом може сломити растуће дендрите и гурнути их у растопу да би постали ново кристално језгро; с друге стране, кавитација активира ситне честице нечистоћа (углавном Ал₂О₃) у топљењу, чинећи их основом за хетерогену нуклеацију, чиме се промовише нуклеација и рафинација зрна.

(2) Ефекат акустичког тока. Ултразвучни таласи ће произвести нелинеарне ефекте када се шире у топљени, формирајући велике акустичне токове и микроакустичне токове. Снажан акустични ток може значајно побољшати уједначеност температурног поља растопа, променити услове очвршћавања растопа и променити начин очвршћавања растопљеног алуминијума од очвршћавања слој-по-слој на очвршћавање запремине, ефикасно инхибирајући раст стубастих кристала и формирајући уједначену кристалну структуру једнаке осовине. Ефекат акустичног протока такође промовише макроскопско мешање и пренос масе растопа, чинећи температуру и хемијски састав уједначенијим.

Под двоструким ефектима кавитације и акустичког протока, ултразвучни третман постиже оптимизацију „пакета“ алуминијумског растопа—дегазација, уклањање шљаке, рафинирање зрна и хомогенизација ткива се завршавају истовремено.

3. Основне апликације

3.1 Дегазација (уклањање водоника)

Водоник је главни штетни гас у топљењу алуминијума. Већина недостатака као што су рупе и лабавост одливака потичу од таложења водоника током процеса очвршћавања. Механизам ултразвучног отпуштања гаса је да ефекат кавитације ултразвучних таласа производи велики број језгара мехурића у топљењу, а растворени водоник се концентрише у овим мехурићима и наставља да расте све док се не може глатко испразнити из растопа.

Ултразвучна дегазација има изузетан ефекат. Истраживања показују да ултразвучно отплињавање може смањити садржај водоника за више од 50%, чиме се повећава густина и пластичност одливака. У експерименту растопљеног алуминијума АлСи12Фе, након третмана ултразвучном снагом од 1000 В током 1 минута, густина еквивалента 40 кг растопљеног алуминијума достигла је 1,28%. Неке студије су чак показале да еластична вибрација ултразвучних таласа може потпуно дегазирати растопљени метал у року од неколико минута.

3.2 Рафинирање зрна

Рафинирање зрна је кључни начин за побољшање механичких својстава алуминијумских легура. Механизам ултразвучног рафинирања зрна укључује следеће аспекте:

Поломљени дендрити: Ударни таласи и млазнице настали кавитацијом могу да одсеку и униште растуће дендрите и повећају број кристалних језгара.

Промовисање нуклеације: Кавитација активира честице нечистоћа (углавном Ал₂О₃) у топљењу, чинећи их кристалним језгром и промовишући нуклеацију.

Повећајте степен потхлађења: Ултразвучна вибрација смањује ефективно потхлађивање растопљеног метала и смањује критични радијус нуклеације, чиме се повећава брзина нуклеације.

Експериментални резултати показују да је очврснута структура растопљеног алуминијума третираног ултразвучном обрадом рафинисана у различитом степену. Након што се ултразвучни третман примени на талину легуре алуминијума 7055, зрна се рафинишу, структура је хомогенизована, затезна чврстоћа је значајно повећана, а пластичност је такође значајно побољшана. У експериментима са чистим алуминијумом, ултразвучни третман је постигао ефекат пречишћавања зрна до 48%.

3.3 Уклањање инклузија

Сићушним инклузијама у раствору метала је веома тешко да плутају, а само њихово агрегирање ће олакшати плутање. Ултразвучни третман може подстаћи акумулацију и деламинацију инклузија, чиме се постиже ефекат уклањања. Поред тога, ефекти кавитације и акустичног протока такође могу смањити сегрегацију компоненти и побољшати униформност структуре ливења.

4. Кључни параметри процеса

На ефекат ултразвучног третмана свеобухватно утиче више параметара процеса.

Ултразвучна снага. Снага је основни параметар који одређује интензитет кавитације и ефекат третмана. Снага једне главе за зрачење индустријске опреме може да достигне 2500В. Ако је снага прениска, не може се произвести довољан ефекат кавитације, док ако је снага превелика може изазвати додатну потрошњу енергије и топлотне ефекте. АлСи12Фе растопљени алуминијум може постићи добар ефекат дегазације тако што га обрађује на 1000В снаге у трајању од 1 минута.

Температура обраде. Прерада талине алуминијума се обично врши на температурама око 750°Ц. Температура утиче на вискозитет растопа и растворљивост водоника, што заузврат утиче на ефекте отплињавања и пречишћавања. Неке студије су истакле да како се време обраде повећава, вискозност растопа се смањује и постаје тешко да мехурићи побегну, тако да време обраде треба разумно контролисати.

Време обраде. Време ултразвучног третмана обично се креће од 1 минута до десетина минута. Треба напоменути да што је дуже време, то је бољи ефекат - предуго ултразвучно време може довести до смањења густине ингота и брзине отплињавања.

Дубина урањања главе алата. Радна дубина штапа ултразвучног алата утиче на ефективно подручје деловања. Теоријски прорачуни показују да је ефективни опсег кавитације у талини унутар 30 мм површине испод чеоне површине, док се ефекат акустике протеже кроз целу површину која тече растопину.

Ултразвучна фреквенција. Учесталост утиче на величину и дистрибуцију кавитационих мехурића. Нискофреквентни ултразвук производи веће мехуриће кавитације, који су погодни за апликације као што су дегазација и пречишћавање зрна. Реакција различитих система легуре алуминијума на фреквенцију може бити различита и треба да буде оптимизована за одређену легуру.

Ефекат и вредност

Свеобухватно побољшање ефекта ултразвучног третмана на таљење алуминијума је потврђено великим бројем студија:

Побољшана механичка својства: Након ултразвучне обраде чистог алуминијума, затезна чврстоћа се може повећати до 17%, а издужење се повећава са 16% у необрађеном стању на 28%. Просечна затезна чврстоћа ингота чистог алуминијума се повећава за 22,3% уздужно и 20% попречно.

Структура је значајно рафинисана: очврснута структура ингота третираног ултразвучном обрадом је значајно рафинисана, а величина зрна може да достигне 77 ~ 405 μм. Ингот без ултразвучне обраде формирао је грубу и неуједначену микроструктуру.

Мултифункционална интеграција: Ултразвучни третман је мултифункционална технологија обраде талине која интегрише дегазацију, уклањање шљаке, пречишћавање зрна и хомогенизацију ткива. У поређењу са традиционалним хемијским рафинерима зрна, ултразвучни третман не мења хемијски састав легуре и не повећава потешкоће рециклирања. То је одржива зелена метода прераде.

Ултразвучна обрада талине метала алуминијума је ефикасна технологија третмана талине која интегрише дегазацију, уклањање шљаке, пречишћавање зрна и хомогенизацију ткива. Његово језгро лежи у синергистичком ефекту ултразвучног ефекта кавитације и ефекта акустичног протока - ефекат кавитације разбија дендрите, промовише нуклеацију и избацује гас, док ефекат акустичног тока уједначава температурно поље и поље композиције и мења метод очвршћавања. Велики број студија је показао да ултразвучни третман може значајно побољшати механичка својства и квалитет ливења алуминијумских легура без промене хемијског састава легуре. То је зелена и одржива технологија обраде. Са продубљивањем технолошког разумевања и побољшањем нивоа опреме, ултразвучна технологија обраде талине алуминијума ће играти све важнију улогу у ваздухопловству, транспорту, рециклираном алуминијуму и другим пољима.

Параметар	утицај	референца
Повер	Одредите тачност и дубину обраде	Снага се креће од 200В до преко 2500В. На пример, за легуру алуминијума 7050, ефекат пречишћавања је бољи на 200В, а ефикасност отплињавања је већа на 240В.
Фрефуенци	Утиче на интензитет ефекта кавитације	Генерално, најбољи резултати се постижу унутар нискофреквентног опсега од 17-22 кХз, посебно за ултразвучне таласе ниске фреквенције и високог интензитета у опсегу 15-20 кХз.
Време процеса	Постоји оптимална вредност.	Прекратко време неће постићи добре резултате, док предуго може довести до грубости зрна или поврата порозности. На пример, легура 7050 најбоље функционише када се третира 90 секунди.
Температура топљења	Утиче на вискозитет растопа, растворљивост водоника и интензитет кавитације	Постоји оптималан температурни опсег, а одговарајућа температура медија је погодна за побољшање ефекта обраде.
Запремина топљења	Снага мора бити усклађена са запремином растопа.	За растопљене материјале великих размера може бити потребно више сонди или већа снага, или се чак може користити бесконтактна ултразвучна технологија да би се обезбедио исход обраде.
Величина / облик рога	Утиче на дистрибуцију ултразвучног поља	Алати са мањим крајњим површинама (као што је Φ10мм) имају бољи ефекат префињености.