Vers un modèle numérique fiable du fonctionnement d'une torche de projection plasma à courant continu

Towards a reliable numerical model of DC plasma spray torch operation

• Auteur / Autrice : Rodion Zhukovskii
• Direction : Armelle Vardelle, Christophe Chazelas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance le 16/01/2020
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques
• Jury : Président / Présidente : Pascal André
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Armelle Vardelle, Christophe Chazelas, Erick Meillot, Alexander Barth, Vincent Rat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Javad Mostaghimi, Vandad Rohani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Projection au plasma

Électrodes

Simulation par ordinateur

Arc électrique

Mots clés libres

Torche plasma

Électrode

Modèle à l’ETL et à 2T

Plasma torch

Electrode

LTE model and 2T model

Résumé

La projection plasma est une technologie de dépôt qui utilise un jet de plasma pour accélérer, chauffer, fondre et déposer des particules de poudre sur un substrat et ainsi, élaborer un revêtement. La reproductibilité du procédé dépend en grande part des fluctuations d’enthalpie et de vitesse du jet de plasma et de l’usure des électrodes. Les torches à plasma à anode cascadée permettent une longueur d’arc stabilisée et ainsi d’atteindre le premier objectif. Cependant, leur géométrie ne garantit pas l'absence d'érosion des électrodes. L’étude des processus électromagnétiques et thermiques à l'intérieur de la torche peut aider à contrôler les propriétés du jet de plasma et à réduire l’érosion des électrodes, et en particulier de l’anode. Ce travail porte sur la simulation d’une à plasma commerciale (la torche SinplexPro™ d’Oerlikon Metco) fonctionnant à l’argon sous pression atmosphérique. Il a été mené en deux étapes. La première a consisté à développer un modèle à l’équilibre thermodynamique local (ETL) du comportement dynamique de l’arc dans la torche. La tension d’arc et les pertes thermiques de la torche prédites par ce modèle sont est en bon accord avec celles mesurées pour un faible débit de gaz et un courant électrique élevé. Pour de telles conditions de fonctionnement, le modèle prédit un pied d’arc constricté à l’anode. Le modèle ETL a ensuite été utilisé pour tester deux méthodes pour faire tourner le pied d'arc sur la paroi de l'anode: une injection du gaz en vortex et un champ magnétique externe axial. L'injection du gaz avec un angle de 45° tourbillonnaire s'est avérée plus efficace qu’avec l’angle de 25° actuellement utilisé sur ce type de torche. La seconde étape de ce travail a consisté à développer un modèle à deux températures. Ce modèle considère deux formulations pour l’enthalpie des électrons et celle des espèces lourdes, qui différent par l'attribution de l'énergie d'ionisation à l’une ou l’autre des particules. Le modèle 2T avec les deux formulations prédit un pied d’arc diffus à l’anode et des tensions d’arc en bon accord avec les valeurs expérimentales pour une large plage de courant et de débit de gaz. Le mode diffus du pied d’arc anodique semble confirmé par l’observation d’anodes usées ayant fonctionné dans les mêmes conditions. La formulation de l’équation de l’énergie avec l’énergie d’ionisation assignée aux électrons a un coût de calcul acceptable et présente des résultats plus raisonnables en termes de température des électrons et des espèces lourdes. Cette formulation sera utilisée tive pour le développement ultérieur du modèle et son extension à des gaz diatomiques.

DC plasma spraying is a coating technology that utilizes the energy of a plasma flow to accelerate, heat up, melt and deposit the coating powder on a substrate. For a high reproducibility in coating production, the plasma flow should have low fluctuations of enthalpy and velocity, and the erosion of electrodes should be limited. Plasma torches with a cascaded anode yield a more stabilized arc length and could achieve the first goal. However, a stabilized arc does not guarantee a low erosion rate of electrodes and in particular anode. An insight into the electromagnetic and thermal processes inside the plasma torch could help to control the properties of the plasma flow issuing from the torch and extend the lifetime of the torch parts. This work dealt with the simulation of the commercial plasma torch SinplexPro™ manufactured by Oerlikon Metco operated in argon under atmospheric pressure. It involved two steps. The first consisted in developing a LTE model with the inclusion of the electrodes in the computational domain. The arc voltage and cooling loss predicted by this model were in good agreement with the experimental values for a low gas flow rate and high electric current. For such operation conditions, the model predicted a constricted anode arc attachment. Then, two methods were tested to rotate the constricted anode arc attachment: gas swirling injection and axial external magnetic field. The swirling gas injection was found to be more efficient for a gas injection angle of 45° than for an angle of 25°, which is the angle used in the actual plasma torch. The second step of this study was about the development of a two-temperature model. The latter considered two formulations for the enthalpy of electrons and heavy species differing in the attribution of the ionization energy to electrons or heavy species. The 2T model with both formulations projected a diffuse anode arc attachment and arc voltage that agreed with the experimental values for a wider range of arc current and gas flow rate. The mode of anode arc attachment was confirmed by the observation of tested anodes. The formulation of the energy equation with the ionization energy assigned to the electrons had an acceptable computational cost and yielded reasonable results in terms of electron and heavy species temperature. It will be used to develop further the model and apply it to diatomic gases.