Brevet FR2609914A1 — publié le 19880729

BUSETTE COMPOSITE DE COULEE DE METAL LIQUIDE, NOTAMMENT POUR APPAREIL D'ATOMISATION DU METAL L'invention concerne un dispositif de coulée d'un jet de métal liquide à partir d'un récipient, au moyen d'une busette. L'invention concerne plus particulibrement, mais non exclusivement, un tel dispositif appliqué à un appareil d'atomisation de metaux et alliages métalliques, dans le domaine de la métallurgie des poudres. Les techniques actuel-les d'atomisation de métaux et alliages métalliques consistent à faire couler te métal préalablement fondu et porté à une température précise au dessus du liquidus en un jet calibré d'un diamétre allant le plus souvent de 1,5 à 20 mm. Ce jet métallique est alors soumis à l'action de jets de gaz sous haute pression pouvant généralement aller de 7 à 200 bars et se détendant à une vitesse élevée. Les documents FR-A-2 560 086, 2 560 087 et 2 563 131 font connaître notamment un tel appareil dans lequel le métal liquide coule en jet d'un creuset ou d'un distributeur par une busette à travers une tuyère, le plus généralement de forme torique, faisant converger un jet gazeux tubulaire conique, qui peut être de l'argon, de l'air, de l'azote, de l'hélium ou tout autre gaz ou mélange tel que l'argon-helium par exemple, et qui disloque le jet en fines particules. La busette comporte un ajutage calibré formé dans un tube retenu dans un manchon suspenseur. Les caractéristiques des grains de poudre, à savoir le spectre granulométrique, la forme des grains, puis, qui en découlent, la surface spécifique, le coefficient d'écoulement, la densité apparente, etc. dépendent d'une part des caractéristiques du métal liquide (viscosité, tension superficielle) et de son débit en masse et-d'autre part des caractéristiques physiques et mécaniques du gaz et de son débit massique (capacité calorifique, conductivité thermique, masse spécifique, viscosité, température, quantité de mouvement). Le gaz, par sa quantité de mouvement, est l'élément moteur. Le liquide par sa masse, sa viscosité, sa tension superficielle est L'élément résistant. On sait que la masse est liée au volume tandis que les forces de cohésion prépondérantes sont des phénomènes de surface. Quand le diametre d'un grain de métal liquide est divisé par 10, sa masse est divisée par 103 tandis que sa surface est divisée par - 102. Les forces de surface, donc de cohésion, ont gagné un ordre par rapport à celles de volume, donc de masse.Cela explique L'augmentation d'énergie nécessaire pour passer de grains de 100 micromètres de diamètre moyen à des grains de 10 puis 1 micromètre. L'énergie nécessaire est en général obtenue en augmentant la vitesse du gaz. Il est alors évident que plus la tuyère est évoluée, plus les spécifications de la poudre en granulométrie, forme des grains, etc. sont précises, plus le jet de métal liquide doit être stable, bien délimité et constant tout au long d'une atomisation qui peut durer par exemple 10 ou 24 heures. Par exemple, une busette de diamètre intérieur 4 mm convenablement dessinée doit délivrer un jet parfaitement cylindrique, laminaire, sans turbulences et localisé dans L'espace de façon précise, sûre et connue pour que le ou les jets de gaz le prennent en charge avec des distances, angles et vitesses qui correspondent au calcul. D'autre part, le débit massique de métal liquide doit etre connu et constant.En effet, si une busette est supposee délivrer -par exemple 350 kg/heure de métal liquide et que par usure elle en débite 450 au bout d'une heure, ce qui correspond environ à une augmentation de diamètre intérieur de 10%, la granulométrie moyenne de la poudre peut être multipliée par 4, la rendant impropre à l'utilisation prévue. D'autre part, pour des alliages propres, la matière de la busette qui a été érodée se retrouve dans la poudre et de ce fait occasionne aux pièces mécaniques qui en sont faites des défauts particulièrement nocifs en fatigue. Une dernière raison qui rend la qualité de la busette primordiale pour l'atomisation est que le métal ayant tendance à figer des qu'il refroidit, ce qui interrompt l'atomisation, la busette doit le plus souvent être dessinée de façon précise de manière à décoller les filets de liquide qui pourraient la mouiller et figer sur elle et les filets de gaz qui créent en général des surpressions à son aval, freinant ainsi l'écoulement, augmentant la convection refroidissant la busette, ce qui a le même inconvénient. On arrive ainsi sur les machines modernes à utiliser des busettes qui ont pratiquement des bords de fuite coupants et des dispositifs aérodynamiques de géométrie bien déterminée. Ces diverses considérations ont amené à utiliser des busettes en céramiques. Si elles sont denses, elles cassent au choc thermique, ce qui occasionne en général des dégats matériels et interrompt L'atomisation. Si elles sont frittées et poreuses, elles résistent mieux au choc thermique et elles sont moins thermo-conductrices et enlèvent moins de calories au liquide qui les traverse. Par contre elles s'érodent plus facilement entrainant d'abord une augmentation régulier-e du débit liquide, donc une détérioration du rapport de poids gaz sur poids métal puis, quand les bords de fuite sont détruits, la perturbation des écoulements aérodynamiques et l'instabilité de l'atomisation.Enfin pour assurer la constance et la précision de la température du métal liquide et par Là sa viscosité, sa tension superficielle et plus généralement ses caractéristiques physico-chimiques, on a souvent intérêt à chauffer la busette. Les busettes en céramique ne conviennent pas pour le chauffage par induction -et mal pour le chauffage par résistance à cause de leur mauvaise conductibilité thermique qui occasionne un fort gradient thermique sur leur longueur chauffée et celle qui dépasse de la résistance ou est proche des extrémités de la résistance. Le but de l'invention est de remédier à ces difficultés. il est de proposer un dispositif qui assure tout à la fois une définition précise du jet de coulée par une bonne tenue à l'érosion du diamètre intérieur de la busette, et la possibilité de chauffag-e de la busette. L'invention atteint son but en proposant un dispositif dans lequel la busette composite comporte un tube calibré maintenu dans un manchon suspenseur réalisé en matériau réfractaire permettant son couplage ou celui du métal liquide avec des ' moyens inductifs entourant la busette (soléno,de traversé par un courant haute fréquence). Selon un mode de réalisation, c'est directement le manchon qui est couplable sur la source haute fréquence en vue de son chauffage par induction. Selon un second mode de réalisation, le manchon est au moins partiellement transparent au rayonnement magnétique, i.e. il ne forme pas un écran magnétique total, et c'est le métal liquide lu;-même qui est chauffé par induction à l'intérieur de L'ajutage calibré (le matériau du tube intérieur ne formant pas lui-même écran). L'un et l'autre des modes de réalisation laissent la possibilité d'utiliser pour le tube intérieur une céramique dense dont L'ajutage restera de calibre constant. Mais surtout, il est hautement avantageux de réaliser le tube intérieur en plusieurs tronçons de petites dimensions empilés et maintenus dans le manchon suspenseur : en effet, un tube unique résisterait mal au choc thermique.Le manchon doit avoir une bonne tenue mécanique mais, bien entendu, il n'a pas besoin d'avoir une bonne tenue à l'érosion, ni même être compatible avec le métal liquide. Le manchon est avantageusement réalisé en un matériau choisi parmi les cermets ou des métaux ou alliages métalliques réfractaires spéciaux (tungstène, tantale). Les cermets sont toutefois plus avantageux grâce à leur coût relativement réduit. Ils se laissent usiner facilement, ce qui autorise un accrochage aisé du manchon sur le récipient de coulée. Il convient d'assurer une bonne continuité thermique entre le manchon chauffant et le tube calibré intérieur, par exemple grâce à un ciment de liaison compatible, réfractaire et souple, dont on peut enduire le tube calibré avant de le placer dans le manchon.Le manchon est disposé autour du tube calibré sur une surface suffisante pour assurer une bonne répartition des calories vers le tube calibré. Grâce au dispositif de t'invention il est possible de maintenir le métal liquide traversant le tube calibré dans l'état le plus proche d'un liquide newtonien et de régler parfaitement les caractéristiques du jet. D'autre part la possibilité de chauffer efficacement la busette permet d'utiliser dans l'appareil d'atomisation des mélanges gazeux à fort refroidissement (en augmentant la proportion d'hélium par rapport à l'argon, par exemple) très près du nez de la busette sans craindre un figeage du .métal dans celle-ci ou une modification de son écoulement. Le refroidissement très rapide du métal au sortir de la busette conduit à une structure métallique très recherchée des poudres obtenues. D'autres caractéristiques et avantages de L'invention ressortiront de la description suivante d'un mode de réalisation de L'invention, faite en référence à la figure unique annexée représentant en coupe un dispositif conforme à l';nvention. On y voit un creuset 1 qui est le plus souvent en céramique mais peut être un simple entonnoir ou distributeur selon le mode de fonderie employé. Le creuset 1 est percé par un alésage 10 qui reçoit Le manchon en cermet 2. Le manchon a de préférence un épaulement 6 dans sa partie haute pour entrer dans un chambrage 7 du fond du creuset 1. Dans sa partie inferieure, la forme extérieure du manchon correspond à l'aérodynamique de l'ensemble de la busette. Son diamètre intérieur est alésé et a un diamètre constant sauf un resserrement 8 dans sa partie basse qui est destiné à former un épaulement de butée pour maintenir le tube calibré 3 en céramique dense qui porte un épaulement extérieur correspondant. Un premier ciment de liaison 4 assure la liai son entre le manchon 2 et le creuset 1.Un deuxième ciment de liaison 5, de caractéristiques différentes ou non, assure l'étanchéité entre le manchon 2 et le tube calibré 3 en remplissant l'espace d'environ 0,1 mm qui Les sépare. Un des deux ciments, avec ou sans une rondelle de céramique, peut isoler le manchon 2 du métal liquide dans sa partie supérieure 9. Le tube calibré 3 est avantageusement enfilé dans le manchon 2 en plusieurs tronçons : par exemple, on peut prévoir quatre tronçons annulaires 3a, 3b, 3c, 3d de 40 mm environ pour une busette de 160 mm. On peut ainsi séparer la partie courante du tube intérieur 3 avec un diamétre de passage assez élevé qui entrasse une vitesse d'écoulement faible et seulement sur les 10 ou 20 derniers mm avoir le diamètre plus faible définissant le débit métal. Le principal avantage est que la quantité de métal présent à chaque instant dans la busette est plus élevée et donne à l'ensemble un peu plus d'inertie thermique. On adopte de préférence pour réaliser le manchon suscepteur 2 un cermet pour les hautes températures ou un alliage ou metal réfractaire pour les températures moyennes. Les deux, étant conducteurs électriques et thermiques bon ou moyens, peuvent être chauffés par induction grâce à l'enroulement inductif 11 relié à une source haute fréquence 12, et répartissent bien la chaleur sur la longueur du dispositif. Selon les caractéristiques physico-chimiques du métal liquide à la température de coulée, le tube calibré 3 est choisi en un matériau de préférence non mouillable par le métal, que ce soit par nature ou grâce à un traitement convenable. Les matériaux préférés sont selon les alliages atomisés les suivants : Alumine, nitrure de bore BN, zircone stabilisée ZrO2, nitrure de silicium Si3N4, bioxyde d'uranium UO2, titanate d'aluminium, ou tout autre matériau compatible avec le métal ou l'alliage liquide.Le tube calibré pouvant se fissurer (surtout s'il n'est pas déjà divisé en tronçons) sans que l'écoulement en soit pe.rturbé et sans qu'il apparaisse des fuites de métal liquide, il se révèle que le choix le meilleur est une céramique dense qui est avantageusement fondue : alumine, bioxyde d'uranium, nitrure de bore Le matériau constitutif du manchon choisi en fonction de la température est le plus avantageusement un cermet.La partie céramique frittée avec le métal,- le plus souvent en phase liquide, peut être de l'oxyde de zirconium ZrO2, de L'alumine Al203, de la silice ou une autre céramique convenable choisie par L'homme de l'art en fonction des conditions visées comme par exemple l'oxyde d'uranium U02 si le tube calibré est lui-même en UO2. La partie métallique est préférablement choisie en poudre de matériau réfractaire là encore convenablement choisie par l'homme de l'art en fonction des températures et atmosphères d'emploi. Pour les températures classiques, ce pourra être du cobalt, qui est le liant classique de nombreux carbures. Pour des températures plus élevées, ce sera avantageusement du molybdène ou du tungstène.Le ciment 4 et le ciment 5, respectivement entre le manchon 2 et le creuset 1 et entre le tube calibré 3 et le manchon 2, sont générale- ment un ciment céramique/liant. L'homme de L'art sait qu'il aura intérêt à choisir un ciment ayant pour base la mème céramique que les parties à lier ou compatibles avec elles. On évitera les ciments qui deviennent trop durs à la chauffe pour éviter qu'ils ne transmettent intégralement Les tensions de dilatation de l'intérieur vers l'extérieur principalement.Des expérimentations systématiques effectuées par les inventeurs montrent que le ciment 5 a surtout un rôle de remplissage tandis que le ciment 4 doit participer au maintien mécanique de l'ensemble busette surtout en cas de coulee par quenouille, ceci en l'absence de maintien mécanique réalisé par exemple par un écrou en cermet sous le creuset et boulonné sur le manchon 2 lui-même. Le dispositif selon l'invention a été développé et mis au point dans le but principal de fournir un jet calibré stable dans l'espace et dans le temps, dont le débit ne croit pas à mesure que le diametre s'érode et n'entratnant pas de particules céramiques, à une tuyère d'atomisation à très hautes performances. Toutefois, il sera appliqué avantageusement chaque fois qu'on voudra alimenter un dispositif avec un métal liquide ayant les caractéristiques et qualités ci-dessus énumérées. Il en résulte que ledit dispositif est particulierement adapte à la coulée de précision de haute pureté et tout autre technique similaire. REVENDICATIONS 1. Dispositif de coulée d'un jet de métal liquide à partir d'un récipient (1) au moyen d'une busette composite comportant un tube calibré intérieur (3) maintenu dans un manchon suspenseur (2), caractérisé en ce que la busette est entourée par des moyens inductifs (11, 12) et en ce que le manchon suspenseur (2) est réalisé en un matériau réfractaire permettant son couplage magnétique ou celui du métal liquide avec les moyens inductifs (11, 12). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le manchon suspenseur (2) est réalisé en un matériau réfractaire couplable sur une source haute fréquence- (11, 12). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le manchon suspenseur (2) est en cermet ou en métaux ou alliages métalliques réfractaires spéciaux. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le manchon suspenseur (2) est réalisé en un matériau réfractaire au moins partiellement transparent au rayonnement magnétique. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le tube calibré (3) est réalisé en plusieurs tronçons empilés (3a, 3b, 3c, 3d). 6. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le tube calibré (3) est en céramique. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la continuité thermique entre le tube calibré et le manchon est assurée par un ciment (5). 8. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, à un appareil d'atomisation.