Atomisation sous gaz de poudres métalliques : optimisation du procédé à partir de la modélisation du jet et du diagnostic in-situ

Gas atomization of metallic powder : process optimization through cfd modelling and in situ diagnostics

• Auteur / Autrice : Alain Allimant
• Direction : Christian Coddet, Marie-Pierre Planche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur et microtechniques
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Besançon en cotutelle avec Belfort-Montbéliard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Atomisation

Poudres métalliques

Résumé

L’atomisation sous jet gazeux de métal liquide à travers une buse De Laval est considérée comme l’un des procédés les plus performants tant du point de vue de la qualité de la poudre obtenue en terme de taille et de composition que de la consommation de gaz inerte utilisé pour atomiser ce métal liquide. Malgré tout, l’optimisation de ce procédé passe par une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu et les études engagées actuellement s’orientent aussi bien vers des recherches expérimentales que numériques. Ainsi, les travaux développés au cours de cette thèse, qui visait à l’optimisation de ce procédé, concernent des résultats issus d’expérience et des résultats obtenus par modélisation. D’un point de vue expérimental, trois étapes du procédé ont été séparément analysées qui correspondent chronologiquement à la fusion du bain métallique, l’atomisation primaire et l’atomisation secondaire. La technique de Vélocimétrie par Images de Particules a été utilisée permettant d’obtenir des résultats de vitesse de particules dans la chambre d’atomisation et apporte des données essentielles sur les phénomènes d’atomisations primaire et secondaire. L’atomisation primaire semble dominée dans les premiers instants de l’atomisation par la montée en pression de l’autoclave. Le jet métallique est alors faiblement atomisé et les particules produites possèdent de forts diamètres. Au cours du temps, la pression dans l’autoclave augmentant, la taille des jets diminue et simultanément les particules diminuent en diamètre. Enfin, l’atomisation secondaire semble préférentiellement influencée par le rapport débits de gaz sur métal. Ainsi, à tout autre paramètre constant, la hauteur du bain métallique diminuant au cours du temps, l’énergie disponible pour désintégrer le jet est plus forte et la taille des particules varie en conséquence. Finalement, le lien entre la pression d’atomisation et la taille de la poudre produite est confirmé, ainsi que l’importance du rapport de débits de gaz sur métal. D’un point de vue numérique, la modélisation des écoulements gazeux produits par ce système d’atomisation a été développée sous Fluent de manière à formaliser les effets des principaux paramètres opératoires. Les effets du phénomène d’aspiration présent sous la buse de coulée, de la détente du gaz au passage de la buse de Laval et de géométrie de buses sur les champs de vitesse, de température et de pression ont pu être mis en évidence et les tendances notées corroborent les résultats expérimentaux. Le choix des caractéristiques géométriques des composants utilisés pour la fusion, la coulée et l’atomisation influencent le débit de métal, ce qui a également un impact sur la taille de la poudre produite. Enfin, le procédé est instationnaire durant toute la phase d’atomisation. En effet, la coulée du métal doit souvent être mise en route au cours de la pressurisation de l’autoclave pour éviter la colmatage de la buse de coulée, puis la vidange progressive du creuset conduit à une réduction du débit de métal. Une solution pour rendre le procédé quasiment stationnaire est proposée en perspective, étape essentielle vers un procédé optimisé.

Gas atomization of liquid metal using a De Laval nozzle is thought to be one of the most effective processes both in terms of powder quality which includes size and composition and in terms of inert gas consumption used to atomize this liquid metal. The comprehension of the events involved is of prime importance to improve the process and nowadays, the studies are both oriented on experimental work and CFD modeling. Thus, the work done in this thesis, which aimed at optimizing the process, involves experimental results and CFD results. On the experimental hand, the three main chronologic stages of the process were analyzed. They consist in the melting of the melt batch and then the primary and secondary atomization. The Particle Image Velocimetry has been used to measure the particle speed in the atomizing chamber and provides meaningful data on the primary and secondary atomization phenomenon. At the start of the process, primary atomization seems to be dominated by the pressurization of the autoclave. At that time, the metal spray is poorly atomized resulting in coarse particle sizes. Later, as the pressure still increases in the autoclave, the spray size decreases et simultaneously the particle sizes become finer. Secondary atomization seems to be mostly influenced by the gas to metal ratio. Thus, with the other parameters being unchanged, as the static height of the melt in the crucible is decreasing, the available energy for the melt disintegration is higher, so that the particle size consequently diminishes. To conclude, the relationship between atomizing pressure and resulting powder size and the importance of the gas to metal ratio (GMR) are both confirmed. On the CFD hand, the modelling of the gas-only flow using Fluent lead to the formalisation of the effects of the main operating parameters. The respective effects of the suction under the melt nozzle, of the expansion through the De Laval nozzle and of the shape of the atomizing system could be underlined and the trends match with the experimental results. The choice in the shapes and sizes of the components used for the melting to the atomization acts on the melt mass flow rate, so that the powder particle size is also affected. The process is unsteady during the whole atomization event. First, most of the time, the melt flow is started during the pressurization of the autoclave to avoid the plugging of the melt nozzle, and then, as the crucible is emptying, the loss of static height reduces the melt flow rate. The next critical step for improving the process consists in getting it steady.