Brevet FR2605538A1 — publié le 19880429

Le champd'application de la présente invention est la métallurgie des poudres. Le dispositif selon l'invention concerne une tuyère d'atomisation de métaux et alliages métalliques à l'état liquide par des gaz à grande vitesse dont les performances sont améliorées par un dispositif aerodynamique qui stabilise le jet de métal liquide, le centre, 1 aspire, l'empèche de remonter sur la busette de métal liquide ou de salir la tuyère à gaz. Le dit dispositif a pour effet de créer une surpression protectrice dans la zone amont, de réduire la vitesse des gaz le long de la busette et de créer une dépression en aval de la busette pour faciliter l'écoulement du liquide et préparer son insertion dans la zône de hautes pression dynamiques où a lieu l'atomisation. Les techniques actuelles d'atomisation de métaux et alliages liquides par des gaz sous pression consistent à faire couler le métal préalablement fondu en un jet calibré d'un diamètre allant le plus souvent de 1,5 à 15.mm. Ce jet de métal liquide laminaire est soumis à l'action d'un jet de gaz sous pression pouvant aller en général de 7 à 200 bars et se détendant à une vitesse élevée. La figure (1) montre un tel dispositif dans lequel le métal liquide coule par une busette 1 en un jet 2, à travers une tuyère 3 de forme torique faisant converger le gaz en un jet tubulaire conique 4 qui peut être de l'argon, argon-hélium, air, azote par exemple et qui disloque le jet en fines particules 5. Selon la pression des gaz dans la chambre de stabilisation 6 et le dessin de l'ajuttage de sortie 7, l'atomisation est plus ou moins efficace. L'architecture générale de ce modèle a remplacé maintenant les tuyères à jets sécants dans lequel le jet de métal liquide est soumis à l'action de un ou plusieurs jets de gaz sous pression dirigés latéralement contre lui. Les caractéristiques des grains de poudre, à savoir le spectre granulomètrique, la forme des grains, puis qui en découlent la surface spécifique, le coefficient d'écoulement, la densité apparente... 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 masse et sa vitesse, soit sa quantité de mouvementest l'élément moteur. Le liquide par sa viscosité et sa tension superficielleest l'élément résistant. On sait que la masse est liée au volume tandis que les forme ces de cohésion prépondérentes sont des phénomènes de surface. Quand le diamètre d'un grain de métal liquide est divisé par 10, sa masse est divisée par 2 103 tandis que sa surface est divisée par 10 . Les forces de surface soit celles de cohhésion ont gagné un ordre par rapport à celles de volume soit celles 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 de 1 micron. L'energie nécessaire est en général obtenue en augmentant la vitesse du gaz. Le gaz d'atomisation utilisé en fort débit et sous haute pression a des effets négatifs. Par frottement, le gaz d'atomisation entraine un flux de gaz secondaire qui a pour effet: de refroidir la busette par convection ce qui augmente d'abord la viscosité du liquide et rend son atomisation plus difficile et ensuite le figeage du li quiet de créer une surpression 10 à l'aval de la busette, empéchant le liquide de couler ce qui peut aussi entrainer le figeage car la busette ne profite plus de l'apport. de calories du liquide1 de créer une dépression contre la busette amenant le liquide à remonter le long de la dite busette et à se solidifier dessus détruisant sa forme puis construisant un gateau par accumulation r de créer une dépression à l'intérieur 9 des sorties de gaz de la tuyère détruisant son aerodynamisme et arrivant à la boucher. Le phénomène est le même que la coulée de métal se fasse verticalement ou horizontalement par gravité ou soit aspiré par un tube trempant dans le creuset et agissant comme un carburateur ou autre dispositif convenable et connu de l'homme de l'art. La figurefl)montre l'écoulement des gaz dans une tuyère d'atomisation. Le jet gazeux 4 sortant à grande vitesse de la chambre sous pression 6 par l'ajuttage 7 converge vers le jet liquide 2 issu de la busette 1. Le jet gazeux 4 entraine par sa vitesse V le gaz ambiant dans la partie interne de la tuyère à une vitesse moyenne v. Le mécanisme d'entrainement du gaz ambiant est le frottement intermolléculaire. Si le passage 9 est bouché, il se crée une dépression dans la zône aval 10. Dans la section quelconque 8, le diagramme des vitesses est montré par la figure 2. Au contact du jet 4, la vitesse v du gaz secondaire entrainé est pratiquement égale à V. Elle décroit selon une loi parabolique avec un minimum dans l'axe perturbé par la température du jet de coulée. Le diagramme des pressions est alors donné par la figure 3. La zône intérieure à la tuyère est en dépression. Il se trouve en général un point neutre vers le bas de la tuyère puis la pression devient positive pour atteindre un maximum vers la zône de convergence des gaz. Les isobares représentés sont en général des paraboloides de révolution. I1 en résulte les inconvénients cités ci dessus. Que la vitesse V du gaz moteur soit subsonique ou supersonique, la vitesse v du gaz secondaire reste subsonique. C'est l'intégrale de la fonction parabolique citée plus haut. Elle peut se calculer avec une appoximation suffisante en mesurant la pression dans l'axe et en l'assimilant à V au contact de l'enveloppe conique constituée par le jet d'atomisation 4. La figure (4) montre l'évolution de la pression axiale le long de l'axe commun tuyèrebusette. Pour exemple, le plan X a été situé vers le plan de base de la tuyère. Le dispositif selon l'invention montré par la figure (5) consiste premièrement à placer un convergent 1 dans le passage intérieur de la tuyère en tenant compte pour l'augmentatiin de section du cône de la busette si celle ci est placée comme montré par la figure pour l'exemple. Pression et vitesse se calculent par l'équation de Bernouilli bien connue de l'homme de l'art et que l'on trouve dans tout traité classique de mécanique des fluides. En régime subsonique ce qui est forcément le cas, lorsque le section de passage S décroit, la vitesse croit et la pression décroit. Au col, la section est minimale, la vitesse maximale et la pression minimale. Dans le divergent, la section croit, la vitesse décroit et la pression croit. Le divergent est placé à la sortie de la busette de façon que le col 2 soit autour de la busette, idéalement au niveau du début de son propre cone si elle en a un. L'extrêmité basse du divergent ou de sortie si la busette est horisontale ou vers le haut est idéalement placé sur le même plan que l'extremi- té de la busette. La configuration la plus académique serait de conjuguer exactement le cône du divergent avec celui de la busette. Toutefois, il faut considérer le divergent en soi comme une barrière de pression qu'on calcule et qu' on place où le besoin s'en fait sentir en faisant abstraction de la forme de la tuyère et même dans certains cas de l'existante de la busette. Cette barrière de haute pression protège la zône sensible qui est en général celle de sortie de busette et de sortie de tuyère de remontées et projection de métal au besoin en déplaceant vers l'extérieur les vortex internes. L'abaissement de la vitesse diminue en même temps la convection et les risques de figeage. La deuxième partie du dispositif selon l'inventioncoupe la surpression ainsi crée qui,si elle protège tuyère et busette et réduit le refroidissement busette empèche ou freine l'écoulement de liquide, réduisant la productivité et amenant indirectement refroidissement et risque de figeage par modification du bilan thermique busette-liquide. Notons en passant que corriger ce freinage et refroidissement en augmentant le diamètre de passage de la busette ne marche pas toujours et réduit l'homogénéité des résultats car l'atomisation d'un gros jet se fait différement pour l'axe du jet et sa peau. La figure (6) montre comment les filets de gaz secondaire s'écoulent le long de la busette à une vitesse v et adhèrent à sa surface. La pression dynamique v2/2 est importante et peut empécher le métal liquide de couler. On voit même le gaz remonter dans le creuset dans certains cas extrêmes. Le dispositif selon l'invention dont un exemple est montré par'la figure (7) consiste en un décrochement brusquequi décolle la couche limite et génère donc des tourbillons en aval. Dans la pratique, le décrochement peut se préparer quelques millimètres avant ltextrêmité de la busette par un cône plus prononcé par exemple de 7 à 300 que la busette ou le cône de la busette si elle en a un, puis une remontée à 30-450 suivie d'une section à 900. Cette section droite se situant par exemple à 2 millimètres de l'extrêmité de la busette de façon à ne par modifier celle ci pour permettre le décollement des filets de liquide si celui ci a été prévu. Dans l'exemple ci dessus le générateur de tourbillons est taillé dans la masse de la busette. Ou peut également le concevoir par un anneau rapporté.. La règle est de limiter sa dimension pour que la zône tourbillonnaire soit limitée et que le diagramme des pressions montré par la figure (8) ait sa zône dépressionnaire limitée à la sortie busette. La figure (8) montre une pression constante le long de la partie cylindrique de la busette, puis une légère remontée au droit de la partie conique suivie d'un éfondrement de la pression causé par le bec du générateur de tourbillons. L'expérimentation a montré que le meilleur résultat a été donné par des becquets taillés dans la masse de la busette séparés quoi que très proches de ltextrêmité de busette. Des becquets de 3 mm au rayon ont créé des zônesde dépression faisant remonter le métal jusqu'au becquet lui même, celui ci constituant un obstacle que le liquide ne peut alors dépasser.. La trainée de la busette modifiée par le becquet peut se calculer à partir des distributions de pression et des contraintes de cisaillement sur la surface selon des mèthodes qu'on trouvera dans les traités classiques de mécanique des fluides. Toutefois la visualisation de l'écoulement par fumées ou tout autre moyen connu de l'homme de l'art suffit au réglage du dispositif générateur de tourbillons. Le dispositif selon l'invention peut s'appliquer en totalité selon le problème rencontré ou seulement en partie c'est à dire seulement le surpresseur, seulement le générateur de tourbillons ou préférablement les deux couplés et adaptés au dessin de la busette et de la tuyère comme il a été démontré ci-dessus. Outre le problème de l'atomisation de métaux liquides par des gaz à grande vitesse, le procédé selon l'invention peut s'appliquer avantageusement à tout problème causé par l'injection d'un fluide sous une pression et une vitesse modérée au voisinage ou dans un autre fluide circulant à grande vitesse. Plus généralement, le dit procédé est utilisable chaque fois qu'un régime de pressions dynamiques élevées gène l'introduction dans le milieu où elles règnent d'un corps fluide ou porté par un fluide. REVENDICATIONS 1) Dispositif permettant d'améliorer la stabilité de fonctionnement d'une tuyère dotnisation d'alliages métalliques ou de métaux liquides par des gaz sous pression en créant un zone de surpression qui protège la busette d'amenee de liquide et la tuyère à gaz et qui est suivie d'une zone de dépression localise à l'extrémité de la busette et qui favorise l'écoulement newtonien du liquide.La partie génératrice de dépression du dit dispositif est constituée par un becquet générateur de tourbillons en bout de busette comme montre par la figure 7. 2) Dispositif selon la revendication 1) dans lequel le divergent destiné à générer la surpression de protection de la tuyère et de la busette est situé de façon à finir sur le plan des levures de la tuyère comme montré sur la figure 5.Ainsi placé et étant calcule selon la vitesse des gaz entrainés à travers l'orifice de la tuyère,le dit divergent fourni le maximum de pression dans la zone d'éjection des gaz de la tuyère. 3) Dispositif selon la revendication 1) dans lequel le diver gent est précédé par un convergent comme montré par la figure 5. 4) Dispositif selon la revendication 1) dans lequel le becquet destiné à ménager un zone de dépression permettant le bon écoulement du métal liquide par la busette,est usine dans la masse de la busette et en creux le plus pres possible de l'extrémité de la dite busette comme montré par la figure 7. 5) Dispositif selon la revendication 1) dans lequel le becquet générateur de dépression sur l'extrémité de la busette est rapporté ou en relief sur la dite busette.L'une comme l'autre disposition ayant comme effet de décoller les filets de gaz s'écoulant le long de la busette.