PL248073B1 - Układ ultradźwiękowy przeznaczony do obróbki metali i ich stopów - Google Patents

Abstract

Układ ultradźwiękowy przeznaczony do pracy w wysokiej temperaturze, składający się z jednego lub większej ilości przetworników (101) ultradźwiękowych i charakteryzuje się tym, że falowód umieszczony jest ortogonalnie do osi jednego lub większej ilości przetworników ultradźwiękowych i wykonany jest z kompozytu włóknistego, którego włókna składają się z węgla lub węglika krzemu i których dominujący kierunek jest ortogonalny do osi przetwornika, a osnowa składa się z materiału ceramicznego.

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ ultradźwiękowy przeznaczony do obróbki ciekłych metali i ich stopów zwłaszcza w układzie w którym są atomizowane poprzez poddanie działaniu drgającego falowodu pełniącego funkcję sonotrody.

W stanie techniki wykorzystuje się drgania o częstotliwości ultradźwiękowej do obróbki ciekłych metali. Do typowych zastosowań zalicza się atomizację proszków, odgazowanie i stopowanie metali i ich stopów. Typowo układ ultradźwiękowy pobudzany jest przez przetwornik piezoelektryczny lub magnetostrykcyjny. Ze względu na to, że górna temperatura pracy tych przetworników jest dużo niższa niż temperatura topnienia większości metali, układ ultradźwiękowy wymaga zastosowania chłodzenia o wysokiej wydajności lub oddalenia przetwornika od źródła ciepła.

Aby ultradźwiękowa obróbka ciekłych metali zachodziła w sposób stabilny, wymagane jest utrzymanie temperatury powierzchni sonotrody powyżej temperatury topnienia stopu, gdyż w przeciwnym razie postępuje krystalizacja stopu na jej powierzchni. Ze względu na ograniczoną temperaturę pracy przetwornika piezoelektrycznego generuje to wysoki gradient termiczny, co przekłada się na niską żywotność sonotrody. Jednocześnie, ze względu na ograniczenia materiałowe i wysokie obciążenie zmęczeniowe (miliony cykli poniżej jednej minuty), ogranicza to maksymalną temperaturę pracy niechłodzonej sonotrody z materiałów metalicznych do ok. 1000 K.

Istotnym problemem we wszystkich zastosowaniach wykorzystujących ultradźwięki w wysokiej temperaturze jest dobór materiału, który jest w stanie przenosić drgania o wysokiej intensywności bez jego zniszczenia. Naturalnymi kandydatami na falowody pracujące w wysokiej temperaturze są metale wysokotopliwe i ceramika inżynierska.

Metale wysokotopliwe w temperaturze powyżej 1000 K znacznie tracą na wytrzymałości. Spadek ten jest szczególnie silny po przekroczeniu ¹Z temperatury homologicznej (temperatury pracy do temperatury topienia). Przykładowo stop Ti6Al4V (ASTM grade 5) w temperaturze pokojowej osiąga nawet 600 MPa wytrzymałości zmęczeniowej, a powyżej 1073 K wytrzymałość ta spada poniżej 100 MPa. Podobnie w przypadku spieków wolframu (Densimet), które osiągają do 400 MPa wytrzymałości zmęczeniowej, a w 1573 K wytrzymałość ta spada poniżej 20 MPa.

Ceramika inżynierska w tym grafit, azotek krzemu, węglik krzemu, materiały typu SiAlON jest krucha i ma bardzo niską wytrzymałość na rozciąganie. Znane ze stanu techniki i praktyki przemysłowej rozwiązania (Constellium's R&D on the Use of Power Ultrasound in Liquid Aluminium: An Overview Philippe Jarry and Jean-Louis Achard) pozwalają jedynie na przeniesienie niskiej amplitudy drgań, a ich szersze zastosowanie jest limitowane przez trudny do przewidzenia proces pękania ceramiki pod wpływem ultradźwięków.

Jako najbliższy stan techniki do przedmiotowego wynalazku należy wskazać dokumenty opisujące wykorzystanie metali wysokotopliwych i ceramiki inżynierskiej na falowody pracujące w wysokiej temperaturze, gdyż żaden z dostępnych w stanie techniki dokumentów nie wskazuje kompozytów włóknistych na osnowie ceramicznej lub metalicznej i ze zbrojeniem ceramicznym lub metalicznym jako materiałów możliwych do zastosowania w układach ultradźwiękowych wysokiej mocy, ani nie wskazuje niezbędnej dla prawidłowego działania układu orientacji falowodu i włókien.

Brak jest jednolitości w definicjach materiałów kompozytowych. W niniejszym opisie przyjęto definicję za A. Boczkowska, J. Kapuściński, Kompozyty, WPW, Warszawa 2000. Kompozyt, lub inaczej materiał kompozytowy jest materiałem, który spełnia łącznie: jest złożony co najmniej z dwóch faz o odmiennych właściwościach, które zostały połączone w ten sposób, że ma właściwości nowe w stosunku do komponentów wziętych osobno lub wynikających z prostego sumowania ich właściwości. Fazom tym przypisuje się niekiedy nazwy odpowiadające ich funkcjom mechanicznym i jedną z faz określa się osnową zaś drugą zbrojeniem. Szczególną formą kompozytu opisywaną w zgłoszeniu jest kompozyt włóknisty, którego zbrojenie stanowi materiały włóknisty tj. materiał uformowany w ten sposób, że jeden jego wymiar jest wielokrotnie większy od pozostałych.

Amerykański dokument patentowy US3599319 opisuje wykorzystanie falowodu wykonanego z grafitu i przenoszącego drgania wzdłużne. Falowód ze wzmocnieniem przyklejony jest do elementu metalicznego ze względu na trudności technologiczne w połączeniu grafitu z przetwornikiem ultradźwiękowym. W podanym zgłoszeniu intensywność drgań ograniczona jest przez niską wytrzymałość grafitu, oraz wytrzymałość połączenia klejonego.

Amerykański dokument patentowy US4798332 opisuje ortogonalnie umieszczony falowód metaliczny służący do atomizacji ciekłych metali. Rozwiązanie to jest z powodzeniem stosowane w przypadku materiałów niskotopliwych, jednak brak materiałów o wysokiej wytrzymałości w temperaturze powyżej temperatury topnienia stopów aluminium uniemożliwia jego wykorzystanie w szerszej skali.

Chiński dokument patentowy CN110512070 opisuje ortogonalnie umieszczany falowód ceramiczny służący do obróbki ciekłych metali. Rozwiązanie to może być wykorzystywane jedynie przy niskiej intensywności ultradźwięków ze względu na kruchość monolitycznej ceramiki.

Radziecki dokument patentowy SU1715501A1 opisuje falowód z ortogonalną końcówką, służącą do atomizacji ciekłych metali i ich stopów. Rozwiązanie to nie może zostać wykorzystane w temperaturze przekraczającej temperaturę topnienia stopów aluminium ze względu na wskazaną wyżej niską wytrzymałość materiałów metalicznych w tej temperaturze.

Europejski dokument patentowy EP0842018 opisuje sonotrodę obrotową służącą do cięcia wykonaną z metalicznego dysku ściśniętego pomiędzy przetwornikiem a dodatkowym falowodem. Rozwiązanie to nie może być wykorzystane w wysokiej temperaturze ze względu na niską wytrzymałość materiałów metalicznych.

Japoński dokument patentowy JP6074583 opisuje falowód wykonany z materiału metalicznego w postaci drutu, rozwiązanie przeznaczone jest również do atomizacji. Wykorzystanie materiału metalicznego ogranicza maksymalną temperaturę pracy tego rozwiązania.

Amerykański dokument patentowy US7744729 przedstawia sonotrodę z ceramiczną końcówką w której wzbudzono drgania podłużne, która jest przeznaczona do pracy z ciekłymi metalami. Niewielki rozmiar końcówki i kruchość monolitycznej ceramiki ograniczają zastosowanie tego rozwiązania.

Europejski dokument patentowy EP2731742 opisuje pobudzaną przez wibrator pneumatyczny płytę z kompozytu szklano-ceramicznego poniżej częstotliwości ultradźwiękowych tj. 100 Hz do 20000 Hz, podczas gdy częstotliwości ultradźwiękowe powszechnie uznaje się od 20000 Hz. Ponadto kompozyt obciążony jest wzdłuż osi włókien i z niską amplitudą przez co nie można go uznać za pracujący w warunkach obciążenia zmęczeniowego. Osnowa z materiałów o ceramiki tlenkowej ma zapewnić niską zwilżalność przez ciekłe aluminium, co jest korzystne np. podczas filtracji ciekłego aluminium ale nie sprzyja niektórym innym zastosowaniom np. atomizacji metali.

Jak pokazano w literaturze Murcinkova, Zuzana, et al. Damping properties of fibre composite and conventional materials measured by free damped vibration response. Advances in Mechanical Engineering 11.5 (2019): 1687814019847009 w przypadku kompozytów ceramika-ceramika, interakcja między włóknem, a osnową powoduje wzrost współczynnika tłumienia. Podobnie w przypadku materiałów kompozytowych na osnowie metalicznej Gu, Jinhai, et al. The damping capacity of aluminum matrix composites reinforced with coated carbon fibers. Materials Letters 58.25 (2004): 3170-3174. i Botelho, E. C., et al. Damping behavior of continuous fiber/metal composite materials by the free vibration method, composites part B: Engineering 37.2-3 (2005): 255-263. interakcja między włóknem, a osnową istotnie zwiększa współczynnik tłumienia. Jak pokazano również w przypadku kompozytów węgiel-węgiel Vaidya, U. K., P. K. Raju, and W. Kowbel. Material damping studies on carbon-carbon composites. Carbon 30.6 (1992): 925-929. wysoki współczynnik tłumienia wyklucza zastosowanie tych materiałów na sonotrody, a drgania powodują pękanie osnowy i utracenie spoistości kompozytu. Z tego względu powszechnie przyjęto, że materiałów kompozytowych nie stosuje się do wykonywania falowodów drgających do obróbki ciekłych metali.

Publikacja „Eskin, Dmitry G., K. Al-Helal, and Iakovos Tzanakis. Application of a plate sonotrode to ultrasonic degassing of aluminum melt: acoustic measurements and feasibility study. Journal of Materials Processing Technology 222 (2015): 148-154 opisuje bliskie do przedmiotowego wynalazku rozwiązanie polegające na wykorzystaniu płytowej sonotrody wykonanej z litego stopu Ti6Al4V do ultradźwiękowej obróbki ciekłego stopu aluminium. Zastosowanie materiału metalicznego istotnie ogranicza możliwość zastosowania go w wyższych temperaturach i możliwą do przeniesienia amplitudę. Jako inne dokumenty patentowe istotne dla stanu techniki, opisujące falowody przeznaczone do pracy w wysokiej temperaturze, metody ich chłodzenie oraz materiały z jakich są wykonane, należy wymienić: US200412645, CN110666183, CN209792610, CN110465672, EP2832456, GB952042, EP0689774, JPS59189042, CN1422718, DE2656330, US2889580, US3275787, US3833163, US2012216576,

GB1594977, US3682459, JP2002096024, CN106835006, CN102935742, CN201305623,

CN102554195, US8844897, JP2011177787, CN104384483, JP5570883, JPH04305279, US376236, CN106795583, CN201713563, JPH09220661, JPH02121830, JPH05427, JP2011051007, CH707125, JPS5925904A, WO2012148714, JP2003138303, EP1238715, EP0434980, JPS59211571,

KR101764289, CN107138733, JPH01191707, US5198157, CN105855558, CN107900364, CN202169374, US4981425, EP1238715, CN103433499, US4473187A, GB1150506, US2488353A, US2889580, DE3032785, CN101332513, CN102935742, US7820249, JPH0911199, JPH09294744, CN107848024, CN102554195, CN110421178, CN110395739, CN110303162, CN209407418, CN209407418, CN110076346, CN109622982, EP1245315, JPH0949007, JPH0949007, RU2714001, CN209849886, CN20984988, CN110355377, CN110666183, WO2020006062, CN109967752, CN109622980, CN107876787, CN204504226, US4798332, US4412505, US4473187,US4402458,

US4799622, DE2137083, SU695691, US6247525, JPH08100205, CN201832965, CN105855487,

CN109622906, SU850301, CN2776571, CN201538802, CN107306372, US4307128, CN201208649, CN105665730, WO2008080888, US5653346, US5171387, SU1715500A1, SU1715501A1, SU1715502A1, JPH02212097, US6058823, GB2282559, US6497164, GB2248795, GB2270025,

GB2325192, DE10353804, JPH07132493, WO2017154113, JP2007307632, CN101966661,

CN103071613, CN104550875, US8459122B2, JPH11128836, WO2018168288, JP2004033948,

US10233515, US2820263, US3193889, US3459255, US4287755, US5355935, US4662427,

US3193889, US3363668, US3599319, US3363668, DE602004004488T2, EP1250972, US9481031B2, DE3106711, SU695691A1, RU2577582C1, WO03068412, US8610334.

Celem wynalazku jest przezwyciężenie określonych wyżej ograniczeń metali wysokotopliwych i ceramik inżynierskich oraz zapewnienie niezawodnego układu ultradźwiękowego przeznaczonego do pracy w wysokiej temperaturze wymaganej do topienia metali, a jednocześnie odpornego na zmęczenie materiału wynikające z ciągłych drgań w tej temperaturze.

Zgodnie z wynalazkiem zapewnia się układ ultradźwiękowy do obróbki ciekłych metali oraz ich stopów, zawierający przynajmniej jeden przetwornik ultradźwiękowy oraz przynajmniej jeden falowód kompozytowy wykonany z materiału kompozytowego zawierającego zbrojenie i osnowę. Przetwornik ultradźwiękowy jest sprzężony z falowodem kompozytowym tak, że w trakcie pracy wzbudza w falowodzie kompozytowym falę stojącą drgań mechanicznych. Osnowa zawiera materiał metaliczny lub ceramiczny, zaś zbrojenie zawiera włókna z materiału metalicznego lub ceramicznego. Przetwornik ultradźwiękowy jest sprzężony z falowodem kompozytowym tak, że wzbudza w falowodzie kompozytowym drgania mechaniczne poprzeczne względem włókien materiału zbrojenia. Włókniste materiały kompozytowe cechują się wysoką stratnością mechaniczną w zakresie wysokich częstotliwości, przez co nie są uznawane przez ekspertów w dziedzinie za materiały zdatne do wykorzystanie w elementach ultradźwiękowych. Wynika to z dużej różnicy w modułach włókna i osnowy oraz stratach związanych z przejściem przez granicę międzyfazową. Z uwagi wysokie tłumienie wynikające z interakcji pomiędzy włóknem a osnową znawcy rutynowo rezygnują ze stosowania kompozytów do wykonywania sonotrod. Układ ultradźwiękowy z falowodem kompozytowym według wynalazku również cechuje się wysoką relatywnie stratnością, ale dzięki wysokiej odporności na pękanie i zastosowaniu zarówno na osnowę i zbrojenie materiałów o wysokiej odporności termicznej, może być zastosowany we wcześniej nieosiągalnych środowiskach kosztem wyższej mocy biernej - rozpraszanej podczas odkształcenia sprężystego w trakcie pracy. Nieoczekiwanie okazało się, że przy poprzecznej względem włókien orientacji drgań mechanicznych udało się uzyskać wciąż akceptowalny poziom tłumienia, a jednocześnie odporność na zmęczenie materiału przy pracy w wysokiej temperaturze. Ww. falowód kompozytowy o wymiarach 20 x 100 mm i grubości 2 mm wykonany z włókna węglowego w osnowie węglika krzemu zachował spoistość w próżni do temperatury ok. 2000 C przy zmianie mocy rozpraszanej na tarcie wewnętrzne o nie więcej niż 10%.

W trakcie eksperymentów okazało się, że przy zastosowaniu kompozytu zawierającego zarówno osnowę jak i włókniste zbrojenie w postaci materiałów o wysokiej odporności termicznej po ustawieniu obciążenia wynikającego z drgań poprzecznie do włókien zbrojenia udało się uzyskać zarówno odporność na zmęczenie w wysokich temperaturach wykraczającą poza możliwości falowodów z materiałów litych, jak i dopuszczalne tłumienie drgań zapewniające możliwość pracy np. atomizację ciekłych metali i ich stopów.

Korzystnie osnowa zawiera materiał ceramiczny. W takich rozwiązaniach uzyskiwano wysoką odporność na temperaturę, chociaż kosztem niskiej zwilżalności. Szczególnie korzystnym materiałem ceramicznym okazały się materiały wybrane z grupy obejmującej węgiel i węglik krzemu oraz ich mieszaniny. Osnowa na bazie węgla lub węglika krzemu cechuje się niską zwilżalnością przez większość niewęglikotwórczych metali i ich stopów przez co idealnie nadaje się do zastosowania w ich obróbce podczas długotrwałej ekspozycji podczas obróbki ciekłych metali np. odgazowania ciekłego aluminium, lub homogenizacji kompozytów ceramika-metal, natomiast nie nadaje się do atomizacji ultradźwiękowej, kiedy to zwilżalność powierzchni falowodu jest czynnikiem determinującym poprawność procesu.

Falowód kompozytowy korzystnie jest pokryty powłoką metaliczną lub dyfuzyjną warstwą metaliczną zawierającą metal lub stop metali wybranych z grupy obejmującej tytan, niob, tantal, ren, wolfram, molibden i iryd. Zastosowanie powłok metalicznych pozwala zwiększyć zwilżalność falowodu do ciekłych metali, co jest krytyczne w przypadku atomizacji ultradźwiękowej. Materiały metaliczne są dobrze zwilżalne przez inne ciekłe metale, a jednocześnie przez niską rozpuszczalność metali wysokotopliwych w innych metalach i ich stopach można osiągnąć wysoką żywotność układu przez rozpuszczenie powłoki. Szczególnie korzystny układ osiągany jest dla układów, w których nie dochodzi do powstawania roztworów stałych np. W-Cu, czy Fe-Mg, gdyż powłoka nie ulega rozpuszczeniu.

Szczególnie korzystnym połączeniem jest zastosowanie osnowy lub powłoki zawierającej materiał metaliczny i zbrojenia zawierającego materiał ceramiczny. Takie połączenie korzysta z wysokiej zwilżalności materiału metalicznego będącego w bezpośrednim kontakcie z materiałem obrabianym i z wysokiej wytrzymałości włókien ceramicznych w wysokiej temperaturze, co przedkłada się na wysoką żywotność w procesach atomizacji ultradźwiękowej. Metaliczna osnowa umożliwia uzyskanie wysokiej zwilżalności bez dodatkowych powłok, a włókna ceramiczne podwyższają zakres temperatur, w których uzyskuje się dostateczną odporność na zmęczenie materiału.

Korzystnie osnowa zawiera materiał metaliczny zaś zbrojenie zawiera włóknisty materiał ceramiczny. W takiej konfiguracji uzyskuje się kompromis pomiędzy zwilżalnością a zakresem stosowanych temperatur nawet bez dodatkowych powłok.

Korzystnie zbrojenie zawiera włóknisty materiał wybrany z grupy obejmującej węgiel i węglik krzemu i ich mieszaniny. Również we włóknistym materiale zbrojenia zastosowanie tych materiałów przekładało się na wyższy zakres temperatur zarówno w kombinacji z osnową metaliczną jak i ceramiczną. Szczególnie korzystnym materiałem zbrojenia są włókna z węgla lub węglika krzemu lub ich mieszaninach. Wytrzymałość tych włókien jest utrzymana nawet do temperatury 2000 C, a przypadku niektórych kompozycji nawet rośnie, przez co możliwa jest efektywna obróbka ultradźwiękowa metali i stopów na bazie żelaza, kobaltu, niklu, czy platyny. Ponadto zastosowanie włókien węglikowych korzystnie ogranicza dyfuzję węgla wewnątrz metalicznej osnowy, szczególnie w przypadku jej właściwości węglikotwórczych. Ponadto połączenie ww. włókien z osnową może być w sposób standardowy optymalizowane przez nanoszenie na nie dodatkowych powłok i warstw.

Korzystnie materiał osnowy zawiera metal lub stopy metali wybranych z grupy obejmującej tytan, niob, tantal, ren, wolfram, molibden i iryd. Zastosowanie tych metali zapewniało zarówno zwilżalność jak i odporność na temperaturę. Ww. grupa metali cechuje się wysoką temperaturą topnienia oraz relatywnie niską rozpuszczalnością w innych metalach przez co jest materiałem osnowy, który zapewnia spoistość kompozytu w wysokich temperaturach, a jednocześnie zapewnia jego wysoką żywotność w kontekście roztwarzania osnowy.

Falowód kompozytowy korzystnie jest pokryty zabezpieczającą powłoką lub warstwą ceramiczną szczególnie z węgla pirolitycznego, węglika krzemu lub węgla szklistego dodatkowo podwyższającą odporność na wysoką temperaturę. Ww. materiały zapewniają również wysoką odporność na kawitację w środowisku ciekłych metali przez co podwyższają żywotność falowodu kompozytowego w aplikacjach, które nie wymagają wysokiej zwilżalności powierzchni np. podczas odgazowania stopów aluminium, czy wytwarzania kompozytów ceramika-metal.

Korzystnie przetwornik ultradźwiękowy jest sprzężony z falowodem kompozytowym za pośrednictwem dodatkowego falowodu metalicznego. Taka konfiguracja ułatwia pobudzenie drgań poprzecznych. Dodatkowy falowód metaliczny pozwala zwiększyć odległość pomiędzy przetwornikiem, którego temperatura pracy nie może być zazwyczaj wyższa niż 340K, a falowodem kompozytowym, który narażony jest na temperatury wielokrotnie wyższe. Długość falowodu dodatkowego musi być dobrana w taki sposób, że jego częstotliwość rezonansu wzdłużnego nie odbiega od dopuszczalnej częstotliwości pracy przetwornika ultradźwiękowego.

Korzystnie falowód kompozytowy znajduje się pomiędzy przetwornikiem ultradźwiękowym a drugim falowodem metalicznym, przy czym przetwornik ultradźwiękowy połączony jest z drugim falowodem metalicznym za pomocą łącznika gwintowanego. Osadzenie falowodu włóknistego pomiędzy dwoma elementami drgającymi pozwala stabilnie przenieść drgania na falowód kompozytowy i zapewnić równomierny docisk falowodu kompozytowego do przetwornika lub falowodu pośredniego. Falowód kompozytowy tworzy w takim układzie płytę dociśniętą przez przetwornik i falowód. To w wielu rozwiązaniach zwłaszcza w atomizacji jest bardzo dogodna konfiguracja. Ponadto docisk za pomocą drugiego falowodu metalicznego eliminuje konieczność stosowania zawodnych połączeń gwintowanych w falowodzie kompozytowym jak również nierozbieralnych połączeń klejonych.

Korzystnie układ ultradźwiękowy jest wyposażony w drugi falowód metaliczny, zaś falowód kompozytowy jest sprzężony z przetwornikiem ultradźwiękowym tak, że znajduje się pomiędzy przetwornikiem ultradźwiękowym a drugim falowodem metalicznym, przy czym przetwornik ultradźwiękowy jest sprzężony z drugim falowodem metalicznym za pośrednictwem łącznika gwintowanego. Dodatkowy falowód metaliczny ułatwia mocowanie mechaniczne i sprzężenie falowodu kompozytowego z przetwornikiem tak aby zmaksymalizować amplitudę poprzecznych drgań. Szczególnie korzystna jest konfiguracja z dwoma falowodami metalicznymi bowiem można nadać im kształt ułatwiający mocowanie falowodu kompozytowego pomiędzy nimi. Umieszczenie falowodu kompozytowego pomiędzy dwoma falowodami umożliwia, poprzez dobranie ich długości, zapewnienie maksimum drgań w miejscu pobudzania ich w falowodzie kompozytowym przy jednoczesnym ustaleniu kierunku drgań poprzecznie do włókien. Konfiguracja jest szczególnie korzystna, gdy materiał zbrojenia jest ceramiczny bowiem pozwala uniknąć gwintowania otworu w falowodzie kompozytowym. Gwintowanie jest kłopotliwe w materiale kompozytowym o włóknach ceramicznych. Taka konfiguracja pozwala również szybko wymienić falowód kompozytowy w przypadku zużycia i zapewnić powtarzalny docisk mierząc moment siły na połączeniu gwintowanym, przy jednoczesnym odsunięciu delikatnego termicznie przetwornika od źródła ciepła.

Falowód kompozytowy jest sprzężony z więcej niż jednym przetwornikiem ultradźwiękowym, przy czym przetworniki ultradźwiękowe znajdują się w odległości równej wielokrotności odległości pomiędzy strzałkami fali stojącej w falowodzie kompozytowym w trakcie pracy układu. Pozwala to zwiększyć amplitudę drgań w wysokich częstotliwościach i zastosować tanie, powszechnie dostępne przetworniki niskiej mocy.

Korzystnie falowód kompozytowy jest zagięty a włókna zbrojenia zachowują ciągłość w miejscu zagięcia. To umożliwia dopasowanie układu do zastosowania, a także ograniczenie wymiarów bez utraty korzyści wynikających z zastosowania materiału włóknistego. Falowód kompozytowy w takim wypadku składa się z części ortogonalnej połączonej z przetwornikiem ultradźwiękowym i części nieortogonalnej połączonej z częścią ortogonalną w taki sposób, że w części nieortogonalnej wzbudzona jest fala poprzeczna, a włókna kompozytu zachowują ciągłość między częścią ortogonalną a częścią nieortogonalną falowodu. Krytycznym warunkiem pracy falowodu kompozytowego jest wzbudzenie fali poprzecznej zamiast podłużnej. W rozwiązaniu według wynalazku osiągane jest to przez ortogonalne umieszczenie przetwornika względem falowodu kompozytowego. Sam falowód kompozytowy i wzbudzony falą poprzeczną może zostać poddany modyfikacjom w taki sposób, że jego dalsze części nie będą ortogonalne do osi przetwornika, a dzięki obecności części ortogonalnej bezpośrednio połączonej z przetwornikiem i zachowaniu ciągłości włókien kompozytu między częściami, będzie w nim wzbudzana fala poprzeczna. Pozwala to prowadzić falowód bez wzbudzania niekorzystnej fali podłużnej i pozwala z powodzeniem stosować go w aplikacjach w których wymagana jest określona geometria falowodu np. podczas kierunkowania strumienia cieczy, lub przy wzbudzaniu rur z kompozytu.

Falowód kompozytowy korzystnie posiada periodyczną strukturę włókien zbrojenia o zmiennej odległości od powierzchni obojętnej fali stojącej w trakcie pracy i rozmieszczoną tak, że podczas pracy układu włókna znajdują się dalej od powierzchni obojętnej a bliżej zewnętrznej powierzchni falowodu, w sąsiedztwie strzałek fali stojącej niż w sąsiedztwie węzłów fali stojącej. Takie rozwiązanie pozwala na lokalne zwiększenie wytrzymałości falowodu w miejscach najbardziej podatnych na uszkodzenia. Powierzchnię obojętną w danym modzie fali stojącej falowodu należy rozumieć jako powierzchnię, która zawiera punkty falowodu, w których nie występują naprężenia normalne, w chwili kiedy falowód posiada zerowy pęd tj. amplituda osiąga maksimum (maksimum na wykresie przemieszczenia punktu falowodu w funkcji czasu, która przyjmuje zazwyczaj postaci funkcji sinus). W niektórych strukturach trudno zdefiniować oś lub powierzchnię obojętną, a w przypadku pobudzenia wielu modów pojęcie to może stracić sens fizyczny.

Przedmiot wynalazku został pokazany na przykładach na którym Fig. 1a przedstawia falowód zgodny ze stanem techniki umieszczony równolegle do osi przetwornika, Fig. 1b przedstawia falowód zgodny ze stanem techniki umieszczony ortogonalnie do osi przetwornika, Fig. 2 przedstawia sposób zniszczenia falowodu kompozytowego z włóknami obciążonymi podłużnie, Fig. 3 przedstawia układ ultradźwiękowy według wynalazku według pierwszego przykładu wykonania, Fig. 4 przedstawia układ ultradźwiękowy z falowodem metalicznym według drugiego przykładu wykonania, Fig. 5 przedstawia ogólny schemat układu ultradźwiękowego z przejściowym falowodem metalicznym, ortogonalnie ustawionym względem przetwornika falowodem kompozytowym oraz równolegle ustawionym względem przetwornika dodatkowym falowodem metalicznym według trzeciego, czwartego, piątego i szóstego przykładu wykonania, Fig. 6 przedstawia układ ultradźwiękowy z falowodem z materiału włóknistego z przeplotem włókna według siódmego przykładu wykonania, Fig. 7 przedstawia układ ultradźwiękowy z dwoma przetwornikami ultradźwiękowymi według ósmego przykładu wykonania, Fig. 8 przedstawia układ ultradźwiękowy z ośmioma przetwornikami ultradźwiękowymi według dziewiątego przykładu wykonania, Fig. 9 przedstawia układ do atomizacji ciekłych metali z wykorzystaniem układu ultradźwiękowego według wynalazku, Fig. 10 przedstawia układ ultradźwiękowy z falowodem z materiału włóknistego z częścią ortogonalną i częścią nieortogonalną do osi przetwornika według dziesiątego przykładu wykonania.

Układ ultradźwiękowy znany ze stanu techniki z przetwornikiem 101 połączonym z falowodem 102a poprzez łącznik gwintowany 103, gdzie oś falowodu jest współosiowa do osi przetwornika został przedstawiony na Fig. 1a. W falowodzie 102a wzbudzana jest fala podłużna.

Układ ultradźwiękowy znany ze stanu techniki z przetwornikiem 101 połączonym z falowodem 102b poprzez łącznik gwintowany 103, gdzie oś falowodu jest ortogonalna do osi przetwornika został przedstawiony na Fig. 1b. W falowodzie 102b wzbudzana jest fala poprzeczna.

Fig. 2 przedstawia falowód kompozytowy w postaci walca 202 równoległy do osi przetwornika 201 wykonany z kompozytu włóknistego z zaznaczonym rozkładem włókien, ten sam falowód kompozytowy 202a odkształcony pod wpływem drgań podłużnych oraz rozkład naprężeń (σ) w falowodzie z zaznaczoną odległością od czoła falowodu do węzła fali (1/4 λ). Warto zaznaczyć, że takie obciążenie jest dla większości kompozytów włóknistych niekorzystne, przez co układ ultradźwiękowy z przetwornikiem i falowodem ułożonymi współosiowo nie jest w stanie przenosić wysokich amplitud drgań.

Fig. 3 przedstawia układ ultradźwiękowy według pierwszego przykładu wykonania. Przetwornik piezoelektryczny 301 o pojemności 11,9 nF z ceramiką PZT 8 i nominalną częstotliwością pracy 20 kHz połączony jest z falowodem kompozytowym 302 płaskim, płytowym o grubości 15 mm, szerokości 90 mm i długości 200 mm, wykonanym z kompozytu typu węgiel-węgiel, wykonanego metodą pirolizy z prekursora organicznego, w którym włókno ciągłe wykonane z węgla wykonane metodą pirolizy poliakrylonitrylu rozłożone jest jednokierunkowo poprzecznie do osi przetwornika i osnowę stanowi grafit. Zbrojeniem kompozytu jest włókno węglowe, a osnową kompozytu jest węgiel o postaci grafitu. Odkształcenie kompozytu w czasie pracy zostało przedstawione schematycznie na rysunku z oznaczeniem 302a. W czasie pracy układu w falowodzie wzbudzona jest fala poprzeczna, przy czym długość półf alowa (1/2 λ) wynosi 25 mm. Wynalazek można zrealizować również z innymi rodzajami falowodów np. falowodami walcowymi, ale płaskie falowody płytowe dobrze sprawdzają się w atomizacji metali stąd dobrano taki przykład. Połączenie przetwornika 301 za z falowodem kompozytowym 302 zapewniono za pomocą łączników 303.

Fig. 4 przedstawia układ ultradźwiękowy według drugiego przykładu wykonania. Przetwornik piezoelektryczny 401 o pojemności 5,8 nF z ceramiką PZT 8 i nominalną częstotliwością pracy 40 kHz połączony jest z falowodem kompozytowym z kompozytu węgiel-węglik krzemu o grubości 6 mm, szerokości 20 mm i długości 300 mm, wykonanym metodą infiltracji kompozytu węgiel-węgiel ciekłym krzemem, w którym włókno ciągłe wykonane z węgla rozłożone jest jednokierunkowo poprzecznie do osi przetwornika i osnowę stanowi węglik krzemu. Zbrojeniem kompozytu jest włókno węglowe, a osnową jest węglik krzemu. Przetwornik 401 połączony jest z falowodem metalicznym 404 o długości 62 mm wykonanym ze stopu Ti6Al4V o średnicy 20 mm. Zastosowanie falowodu metalicznego 404, który dociska falowód kompozytowy 402 do przetwornika 401 pozwala zachować równomierny rozkład naprężeń na styku przetwornik 401 - falowód kompozytowy 402. Zastosowanie takiej konfiguracji pozwala efektywnie wzbudzić falę poprzeczną nawet gdy połączenie gwintowe falowodu kompozytowego i przetwornika okazuje się niewystarczająco wytrzymałe ponieważ łącznik gwintowany 403 współpracuje z falowodem 404 wykonanym z metalu, co jest korzystne dla połączeń za pomocą łączników gwintowanych 403.

Fig. 5 przedstawia schemat ogólny układu ultradźwiękowego według trzeciego, czwartego, piątego i szóstego przykładu wykonania.

W trzecim przykładzie wykonania przetwornik piezoelektryczny 501 o pojemności 5,8 nF z ceramiką PZT 8 i nominalną częstotliwością pracy 40 kHz połączony jest z falowodem z kompozytu węglik krzemu-węglik krzemu o grubości 2 mm, szerokości 20 mm i długości 150 mm, wykonanego metodą infiltracji z fazy gazowej preformy z węglika krzemu, w którym włókno ciągłe wykonane z węglika krzemu o średnicy 140 μm i rozłożone jest jednokierunkowo poprzecznie do osi przetwornika i osnowę stanowi węglik krzemu. Zbrojeniem kompozytu jest włókno węglika krzemu, a osnową jest węglik krzemu. Falowód metaliczny 504 o długości 62 mm wykonany ze stopu Ti6Al4V o średnicy 20 mm połączony jest poprzez łącznik gwintowany 503 z dodatkowym falowodem metalicznym 505 wykonanym ze stopu Ti6Al4V o długości 62 mm. Pomiędzy falowodem metalicznym 504, a dodatkowym falowodem metalicznym 505 znajduje się falowód kompozytowy 502. Dodatkowy falowód metaliczny połączony jest z przetwornikiem ultradźwiękowym 501.

W czwartym przykładzie wykonania przetwornik piezoelektryczny 501 o pojemności 5,8 nF z ceramiką PZT 8 i nominalną częstotliwością pracy 40 kHz połączony jest z falowodem z kompozytu węglik krzemu-węglik krzemu o grubości 2 mm i szerokości 30 mm i długości 400 mm, wykonanego metodą infiltracji z fazy gazowej preformy z węglika krzemu, w którym włókno ciągłe wykonane z węglika krzemu utkane jest w tkaninę o splocie satynowym oraz zorientowane prostopadle do osi przetwornika i osnowę stanowi węglik krzemu, a falowód kompozytowy pokryty jest warstwą metalicznego renu, o grubości 5 μm, uzyskaną metodą chemicznego nanoszenia z fazy gazowej przy użyciu prekursorów organicznych (MO-CVD). Zbrojeniem kompozytu jest włókno węglika krzemu, a osnową jest węglik krzemu, a powłokę stanowi metaliczny ren. Falowód metaliczny 504 o długości 56 mm wykonany ze stopu Ti6Al4V o średnicy 20 mm połączony jest poprzez łącznik gwintowany 503 z dodatkowym falowodem metalicznym 505 wykonanym ze stopu Ti6Al4V o długości 62 mm. Pomiędzy falowodem metalicznym 504, a dodatkowym falowodem metalicznym 505 znajduje się falowód kompozytowy 502. Dodatkowy falowód metaliczny połączony jest z przetwornikiem ultradźwiękowym 501.

W piątym przykładzie wykonania przetwornik piezoelektryczny 501 o pojemności 5,8 nF z ceramiką PZT 8 i nominalną częstotliwością pracy 40 kHz połączony jest z falowodem z kompozytu niob-węglik krzemu o grubości 0,5 mm i szerokości 20 mm i długości 180 mm, wykonanym metodą prasowania izostatycznego na gorąco włókien z węglika krzemu w kapsule z niobu o czystości zgodniej normą ASTM B393 pod ciśnieniem 200 MPa w czasie 10 ks i temperaturze 1473 K, w którym włókno cięte o średniej długości 15 mm wykonane z węglika krzemu i średnicy 140 um rozłożone jest w sposób chaotyczny w płaszczyźnie poprzecznej do osi przetwornika i osnowę stanowi odkształcony podczas prasowania izostatycznego niob. Zbrojeniem kompozytu jest włókno węglika krzemu, a osnową jest metaliczny niob. Falowód metaliczny 504 o długości 58 mm wykonany ze stopu Ti6Al4V o średnicy 20 mm połączony jest poprzez łącznik gwintowany 503 z dodatkowym falowodem metalicznym 505 wykonanym ze stopu Ti6Al4V o długości 124 mm. Pomiędzy falowodem metalicznym 504, a dodatkowym falowodem metalicznym 505 znajduje się falowód kompozytowy 502.

W szóstym przykładzie wykonania przetwornik piezoelektryczny 501 o pojemności 5,8 nF z ceramiką PZT 8 i nominalną częstotliwością pracy 40 kHz połączony jest z falowodem z kompozytu niobwęglik krzemu o grubości 0,5 mm i szerokości 20 mm i długości 300 mm, wykonanym metodą prasowania izostatycznego na gorąco włókien z węglika krzemu w kapsule ze stopu Ti6Al4V pod ciśnieniem 200 MPa w czasie 10 ks i temperaturze 1073 K, w którym włókno o średnicy 140 μm, pokryte warstwą węglika tytanu otrzymaną metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej, jest utkane w postaci tkaniny o splocie prostym i znajduje się w płaszczyźnie poprzecznej do osi przetwornika i osnowę stanowi odkształcony podczas prasowania izostatycznego stop Ti6Al4V. Falowód kompozytowy jest pokryty warstwą renu o grubości 2 μm otrzymaną poprzez fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD). Zbrojeniem kompozytu jest włókno węglika krzemu, a osnową jest stop Ti6Al4V, a powłokę stanowi metaliczny ren. Falowód metaliczny 504 o długości 41 mm wykonany ze stopu CuCrZr o średnicy 20 mm połączony jest poprzez łącznik gwintowany 503 z dodatkowym falowodem metalicznym 505 wykonanym ze stopu Ti6Al4V o długości 186 mm. Pomiędzy falowodem metalicznym 504, a dodatkowym falowodem metalicznym 505 znajduje się falowód kompozytowy 502. Dodatkowy falowód metaliczny połączony jest z przetwornikiem ultradźwiękowym 501. Zastosowanie dodatkowego falowodu metalicznego 505 pozwala oddalić przetwornik 501 od falowodu kompozytowego 502 co jest korzystne w celu izolacji termicznej przetwornika. Dodatkowy falowód metaliczny 505 może spełniać też inne funkcje np. wzmacniać amplitudę drgań, czy stanowić miejsce chłodzenia.

Fig. 6 przedstawia układ ultradźwiękowy według siódmego przykładu wykonania. Przetwornik piezoelektryczny 601 o pojemności 11,9 nF z ceramiką PZT 8 i nominalną częstotliwością pracy 20 kHz połączony jest z falowodem kompozytowym 602 wykonanym z kompozytu węgiel-węgiel o grubości 15 mm, szerokości 40 mm i długości 200 mm zbrojonego włóknem ciągłym w 80% rozłożonym jednokierunkowo poprzecznie do osi przetwornika i 20% rozłożonym skośnie pod kątem 45 stopni co 25 mm i pokrytym powłoką pirolizowanego prekursora węglika krzemu i 20% obj. tantalu. Zbrojeniem kompozytu jest włókno węglowe, a osnową jest węgiel, a powłokę węglik krzemu z tantalem. Zastosowanie przeplotu o periodyczności zgodnej z rozkładem strzałek fali stojącej w falowodzie zmniejsza ryzyko delaminacji falowodu kompozytowego 602, a zastosowanie cząstek metalicznych w osnowie ceramicznej pozwala zwiększyć jej zwilżalność.

Fig. 7 przedstawia układ ultradźwiękowy według ósmego przykładu wykonania. Przetworniki piezoelektryczne 701 i 701a o pojemności 11,9 nF z ceramiką PZT 8 i częstotliwością pracy 20 kHz połączone są z falowodem kompozytowym 702 wykonanym z kompozytu węgiel-węgiel o grubości 15 mm zbrojonego włóknem ciągłym ortogonalnym do osi przetworników 701 i 701a w taki sposób, że odległość między osiami przetworników wynosi dwukrotność długości fali stojącej (2 λ - 80 mm) w falowodzie kompozytowym 702. Zastosowanie dwóch przetworników pozwala osiągnąć wyższą amplitudę drgań falowodu oraz zmniejszyć obciążenie pojedynczego przetwornika piezoelektrycznego.

Fig. 8 przedstawia układ ultradźwiękowy według dziewiątego przykładu wykonania. Przetworniki piezoelektryczne 801 o pojemności 3,6 nF z ceramiką PZT 4 i częstotliwości pracy 80 kHz połączone są klejem ceramicznym z falowodem kompozytowym 802 w kształcie dysku o średnicy 200 mm wykonanym z kompozytu węgiel-węgiel o grubości 5 mm zbrojonego włóknem ciągłym ortogonalnym do osi przetworników 801 w taki sposób, że przetworniki rozłożone są na krawędzi falowodu kompozytowego 802. Włókno falowodu kompozytowego 802 jest ortogonalne do osi przetworników 801a-e, znajdujących się po przeciwnych stronach falowodu w kształcie dysku i rozchodzi się radialnie od środka falowodu kompozytowego 802. Zastosowanie wielu przetworników pozwala zwiększyć moc układu ultradźwiękowego w wysokich częstotliwościach.

Można zastosować również przetworniki rozmieszczone w odległościach odpowiadających połowie długości fali, pracujące w przeciwfazie. Kształt obwiedni amplitudy drgań można kształtować jeżeli zastosuje się więcej przetworników na długość fali oraz dodatkowy układ synchronizacji faz. W takiej konfiguracji można kontrolować kształt obwiedni drgań.

Fig. 9 przedstawia układ ultradźwiękowy według wynalazku w czasie atomizacji ciekłego stopu. Brąz CuSn6 został stopiony w temperaturze 1200°C w tyglu grafitowym 906, następnie polany strugą o średnicy 0,5 mm 907 na falowód kompozytowy 902 wykonany z włókna węglowego w osnowie węglika krzemu, przy czym udział włókna do osnowy był jak 60:40, a włókna były ułożone ortogonalnie do osi przetwornika ultradźwiękowego 901 o pojemności 11,9 nF z ceramiką PZT 8 i częstotliwości pracy 20 kHz przy 20 um amplitudy przetwornika, otrzymując aerozol ciekłego metalu 908 krystalizującego w proszek o gradacji +50-75 μm.

Fig. 10 przedstawia układ ultradźwiękowy według dziesiątego przykładu wykonania z falowodem kompozytowym 1002, składającym się z części ortogonalnej 1002a połączonej z przetwornikiem piezoelektrycznym 1001 i części nieortogonalnej 1002b połączonej z częścią ortogonalną falowodu 1002a w taki sposób, że w części nieortogonalnej falowodu 1002b wzbudzona jest fala poprzeczna, a włókna kompozytu zachowują ciągłość między częścią ortogonalną 1002a, a częścią nieortogonalną falowodu 1002b. Drugi falowód metaliczny 1004 dociska falowód kompozytowy 1002 do przetwornika piezoelektrycznego 1001 o pojemności 11,9 nF z ceramiką PZT 8 i częstotliwością pracy 20 kHz, zapewniając równomierny docisk. Falowód kompozytowy 1002 składa się z ciągłych włókien węglowych w osnowie grafitu, ma grubość 5 mm, szerokość 40 mm i uformowany jest w taki sposób, że część ortogonalna 1002a falowodu kompozytowego ma długość 100 mm, następnie połączona jest z częścią nieortogonalną 1002b falowodu kompozytowego mającą długość 50 mm, za pomocą części pośredniej 1002c falowodu kompozytowego mającej promień gięcia 20 mm. Na rysunku została przedstawiona schematycznie amplituda A falowodu wykonanego z kompozytu włóknistego 1002 w odniesieniu do jego powierzchni obojętnej B. W przypadku falowodu, który zawiera części nieortogonalne krytyczne jest żeby część falowodu przyłączona do przetwornika była do niego ortogonalna, żeby promień gięcia falowodu był większy od jego grubości, oraz żeby włókno kompozytu zachowywało ciągłość między częścią ortogonalną 1002a, częścią nieortogonalną 1002b. Zastosowanie falowodu według przykładu pozwala wprowadzić w drgania skomplikowane konstrukcje np. tygle składające się z kompozytów włóknistych.

W kolejnym przykładzie wykonania układ ultradźwiękowy według wynalazku wykorzystano do odgazowania ciekłego stopu aluminium. Stop aluminium AlSi12 został stopiony w temperaturze 800°C w tyglu grafitowym, zanurzono w nim falowód kompozytowy składający się z włókien węglika krzemu w osnowie węglika krzemu pokryty warstwą węgla pirolitycznego metodą osadzania z fazy gazowej, podłączony ortogonalnie do przetwornika pracującego w częstotliwości 20 kHz. Zastosowanie węgla pirolitycznego jako powłoki, która nie reaguje z ciekłym stopem aluminium pozwala zwiększyć żywotność falowodu przez ograniczenie dyfuzji krzemu do stopu.

W kolejnym przykładzie wykonania układ ultradźwiękowy według wynalazku wykorzystano do dyspersji ceramiki w ciekłej miedzi. Miedź elektrolityczną M1E stopiono w temperaturze 1300°C w tyglu grafitowym i dodano 1% masowo proszku tlenku aluminium o średniej wielkości ziarna 10 μm, a następnie zanurzono w nim falowód kompozytowy składający się z włókien węglowych w osnowie grafitowej i pokryty warstwą węglika krzemu. Zastosowanie węglika krzemu jako powłoki wielokrotnie twardszej od podłoża węglowego pozwoliło na ograniczenie zniszczenia ściernego falowodu kompozytowego.

W kolejnym przykładzie wykonania układ ultradźwiękowy według wynalazku wykorzystano do atomizacji ciekłego stopu. Brąz CuSn6 został stopiony w temperaturze 1200°C w tyglu grafitowym, następnie polany strugą o średnicy 2 mm na falowód wykonany z włókna węglowego w osnowie węglowej, przy czym włókna były ułożone ortogonalnie do osi przetwornika ultradźwiękowego, a falowód był pokryty warstwą niobu o grubości 20 μm i średniej wielkości ziarna 200 nm uzyskaną przez fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD)(ang. PVD - Physical Vapour Deposition). Zastosowanie warstwy metalicznej na powierzchni falowodu pozwoliło zwiększyć jego zwilżalność przez ciekły stop CuSn8 i w konsekwencji dwukrotnie zwiększyć wydajność procesu atomizacji zachowując wysoką jakość produktu końcowego.

W kolejnym przykładzie wykonania układ ultradźwiękowy według wynalazku wykorzystano do atomizacji ciekłego stopu. Stop aluminium 7075 został stopiony w temperaturze 800°C w tyglu z tlenku aluminium, następnie polany strugą o średnicy 0,5 mm na falowód o wymiarach 20 x 100 x 0,5 mm, wykonany z kompozytu na osnowie niobu ze zbrojeniem z włókien tlenku aluminium o strukturze szafiru o średnicy 50 um, przy czym włókna zostały ułożone w postaci maty, w której włókno było zorientowane losowo i udział włókien stanowił 20% objętości kompozytu, a mata była zorientowana prostopadle do osi przetwornika ultradźwiękowego pracującego w częstotliwości nominalnej 40 kHz. Zastosowanie włókien z tlenku aluminium pozwoliło na zwiększenie żywotności falowodu kompozytowego i wykluczenie możliwość kontaminacji przez inne pierwiastki.

W kolejnym przykładzie realizacji sposobu układ ultradźwiękowy według przykładu wykonania wynalazku wykorzystano do atomizacji ciekłego stopu. Stop CuCrZr został stopiony w temperaturze 1200°C w tyglu z tlenku aluminium, następnie polany strugą o średnicy 0,5 mm na falowód o wymiarach 20 x 100 x 0,5 mm wykonany z kompozytu na osnowie niobu ze zbrojeniem z włókien wolframu umacnianymi dyspersyjnie tlenkiem lantanu o średnicy 100 um, przy czym włókna zostały ułożone jednokierunkowo prostopadle do osi przetwornika ultradźwiękowego pracującego w częstotliwości nominalnej 40 kHz, a falowód kompozytowy został otrzymany przez prasowanie izostatyczne na gorąco włókien wolframowych w kapsule niobowej. Zastosowanie włókien z wolframu umacnianego dyspersyjnie wyeliminowało możliwość kontaminacji przez cząstki ceramiki podczas atomizacji stopu.

W kolejnym przykładzie wykonania układ ultradźwiękowy według wynalazku wykorzystano do atomizacji ciekłego stopu. Brąz CuSn6 został stopiony w temperaturze 1200°C w tyglu grafitowym, następnie polany strugą o średnicy 2 mm na falowód kompozytowy ze zbrojeniem wykonanym z włókna węglowego w osnowie węglowej, przy czym włókna były ułożone ortogonalnie do osi przetwornika ultradźwiękowego, a falowód był pokryty warstwą węgla pirolitycznego o grubości 200 μm, a następnie warstwą wolframu o grubości 10 μm uzyskaną przez fizyczne osadzanie z fazy gazowej. Zastosowanie warstwy pośredniej w postaci węgla pirolitycznego pozwoliło ograniczyć tworzenie węglików między warstwą wolframową a podłożem węglowym, ze względu na niższą aktywność chemiczną węgla pirolitycznego, oraz zmniejszyć niedopasowanie modułów sprężystości warstwy wolframowej i podłoża węglowego. W konsekwencji trzykrotnie zwiększono żywotność układu w porównaniu do warstwy wolframowej bez podłoża z węgla pirolitycznego.

Znawca zapoznawszy się z przedmiotowym opisem jest w stanie zaproponować rutynowo inne kształty falowodów i konfiguracje przetworników np. falowód o zmiennym kształcie lub grubości, różne metody połączenia falowodu z przetwornikiem, kompozyty o włóknie dostosowanym do kształtu falowodu oraz powłoki i warstwy dyfuzyjne dostosowane do pracy w określonym medium, jak również inne rozwiązania w zakresie konkretnych materiałów osnowy i zbrojenia, oraz adekwatne długości włókien w zależności od geometrii falowodu i zastosowania. W szczególności znawca zapoznany z wytwarzania i łączenia kompozytów z metalami jest w stanie zaproponować różne metody nanoszenia powłok w tym natryskiwanie cieplne, metalizacja próżniowa, zgrzewanie dyfuzyjne i reaktywna infiltracja. Znawca jest w stanie dobrać częstotliwość drgań do zastosowania.

Omówione przykłady mają za zadanie ilustrować wynalazek określony zastrzeżeniami i nie powinny być traktowane jako ograniczające. Znawca zauważy, że sonotroda nadająca się do obróbki ciekłych metali i ich stopów może znaleźć różne inne zastosowania, a zastrzeżenie wskazuje jedynie, że musi nadawać się w szczególności do obróbki metali i ich stopów. Przykładowo wynalazek znajduje zastosowanie również w obróbce ceramiki i szkła. Mimo podziału na przykłady rozwiązania techniczne stosowane w przykładach mogą być stosowane łącznie, zamiennie lub w kombinacjach.

Claims (13)

1. Układ ultradźwiękowy do obróbki ciekłych metali oraz ich stopów, zawierający przynajmniej jeden przetwornik ultradźwiękowy (301, 401, 501, 601, 701, 701a, 801, 801a, 801b, 801c, 801d, 801e, 901, 1001) oraz przynajmniej jeden falowód kompozytowy (302, 402, 502, 602, 702, 802, 902, 1002) wykonany z materiału kompozytowego zawierającego zbrojenie i osnowę, przy czym przetwornik ultradźwiękowy (301, 401, 501, 601, 701, 701a, 801, 801a, 801b, 801c, 801d, 801e, 901, 1001) jest sprzężony z falowodem kompozytowym (302, 402, 502, 602, 702, 802, 902, 1002) tak, że w trakcie pracy wzbudza w falowodzie kompozytowym (302, 402, 502, 602, 702, 802, 902, 1002) falę stojącą drgań mechanicznych, znamienny tym, że osnowa zawiera materiał metaliczny lub ceramiczny, zaś zbrojenie zawiera włókna z materiału metalicznego lub ceramicznego, przy czym przetwornik ultradźwiękowy (301,401,501, 601, 701, 701a, 801, 801a, 801b, 801c, 801d, 801e, 901, 1001) jest sprzężony z falowodem kompozytowym (302, 402, 502, 602, 702, 802, 902, 1002) tak, że wzbudza w falowodzie kompozytowym (302, 402, 502, 602, 702, 802, 902, 1002) drgania mechaniczne poprzeczne względem włókien materiału zbrojenia.

2. Układ ultradźwiękowy według zastrz. 1, znamienny tym, że osnowa zawiera materiał ceramiczny.

3. Układ ultradźwiękowy według zastrz. 2 znamienny tym, że osnowa zawiera materiał wybrany z grupy obejmującej węgiel i węglik krzemu lub ich mieszaniny.

4. Układ ultradźwiękowy wg zastrzeżenia 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że falowód kompozytowy (302, 402, 502, 602, 702, 802, 902, 1002) jest pokryty powłoką metaliczną lub dyfuzyjną warstwą metaliczną zawierającą metal lub stop metali wybranych z grupy obejmującej tytan, niob, tantal, ren, wolfram, molibden i iryd.

5. Układ ultradźwiękowy według zastrz. 1, znamienny tym, że osnowa zawiera materiał metaliczny zaś zbrojenie zawiera włóknisty materiał ceramiczny.

6. Układ ultradźwiękowy według dowolnego z zastrz. od 1 do 5 znamienny tym, że zbrojenie zawiera włóknisty materiał wybrany z grupy obejmującej węgiel i węglik krzemu lub ich mieszaniny.

7. Układ ultradźwiękowy według dowolnego z zastrz. od 1 do 6, znamienny tym, że materiał osnowy zawiera metal lub stopy metali wybranych z grupy obejmującej tytan, niob, tantal, ren, wolfram, molibden i iryd.

8. Układ ultradźwiękowy według dowolnego z zastrz. od 1 do 7, znamienny tym, że falowód kompozytowy (302, 402, 502, 602, 702, 802, 902, 1002) jest pokryty zabezpieczającą powłoką lub warstwą ceramiczną szczególnie z węgla pirolitycznego, węglika krzemu lub węgla szklistego.

9. Układ ultradźwiękowy według dowolnego z zastrz. od 1 do 8, znamienny tym, że przetwornik ultradźwiękowy (501) jest sprzężony z falowodem kompozytowym (502) za pośrednictwem falowodu metalicznego (505).

10. Układ ultradźwiękowy według zastrz. od 1 do 9, znamienny tym, że jest wyposażony w drugi falowód metaliczny (404, 504), zaś falowód kompozytowy (402, 502) jest sprzężony z przetwornikiem ultradźwiękowym (401, 501) tak, że znajduje się pomiędzy przetwornikiem ultradźwiękowym (401, 501) a drugim falowodem metalicznym (404, 504), przy czym przetwornik ultradźwiękowy (401, 501) jest sprzężony z drugim falowodem metalicznym za pośrednictwem łącznika gwintowanego (403, 503).

11. Układ ultradźwiękowy według dowolnego z zastrz. od 1 do 10, znamienny tym, że falowód kompozytowy (702, 802) jest sprzężony z więcej niż jednym przetwornikiem ultradźwiękowym (701,701a, 801,801a, 801b, 801c, 801d, 801e), przy czym przetworniki ultradźwiękowe znajdują się w odległości równej wielokrotności odległości pomiędzy strzałkami fali stojącej w falowodzie kompozytowym (702, 802) w trakcie pracy układu.

12. Układ ultradźwiękowy według dowolnego z zastrz. od 1 do 11, znamienny tym, że falowód kompozytowy (1002) jest zagięty.

13. Układ ultradźwiękowy dowolnego z zastrz. od 1 do 11, znamienny tym, że falowód kompozytowy (302, 402, 502, 602, 702, 802, 902, 1002) posiada periodyczną strukturę włókien zbrojenia o zmiennej odległości od linii obojętnej fali stojącej w trakcie pracy i rozmieszczoną tak, że podczas pracy układu włókna znajdują się bliżej zewnętrznej powierzchni falowodu w sąsiedztwie strzałek fali stojącej niż w sąsiedztwie węzłów fali stojącej.