Modélisation rapide du traitement de poudres en projection par plasma d’arc

par Fadhel Ben Ettouil

Thèse de doctorat en Matériaux et procédés. Céramiques et traitements de surfaces

Sous la direction de Bernard Pateyron.

Soutenue en 2008

à Limoges , en partenariat avec Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques (autre partenaire) .

mots clés

• Plasma d’arc
• Dispersion de poudres
• Projection au plasma
• Transfert de chaleur
• Transfert de masse
• Transitions de phases
• Poudres -- Modèles mathématiques
• Jets de plasma -- Modèles mathématiques

Résumé

Ce travail est consacré à la modélisation rapide du procédé de déposition par projection thermique en plasma d’arc soufflé. Il est plus particulièrement consacré au traitement d’une particule isolée ou d’un lot de particules échantillon représentatif d’une poudre. Le procédé de projection par plasma d’arc soufflé et les principaux phénomènes qui régissent la formation du jet de plasma, les échanges thermiques et dynamiques entre la particule et l’écoulement du jet gazeux et la construction du dépôt sont examinés. Nous avons fait une étude bibliographique des modèles développés par ailleurs pour simuler les différentes fonctionnalités du procédé. Les fondements et les caractéristiques du logiciel « Jets&Poudres » sont exposés, avant de présenter le modèle développé du transfert plasma-particule qui prend en compte la conduction interne à la particule et les déplacements des fronts de changement de phase. Dans ce modèle le calcul de l'évaporation de la particule est découplé du problème de la dynamique du gaz dans le jet et nous exploitons les résultats de J. C. Knight et le modèle de « Pression en retour » (Back Pressure) qu’il a développé. Une étude qualitative est consacrée à l’effet des paramètres de dispersion de la poudre en sortie de l’injecteur sur le traitement d’une particule isolée et sur la construction du dépôt. Ces effets mis en évidences, nous exposons un modèle de transport d’un lot de particules représentatif d’une poudre dans l’injecteur afin d’évaluer la dispersion en masse, taille et vitesse avant l’entrée dans le jet. Ce modèle complexe prend en compte les collisions particule-parois et les collisions binaires particule- particule. Les résultats de ces deux modèles sont discutés. Le traitement dynamique et thermique de la particule isolée est en bon accord avec ceux de la littérature. Ce qui autorise l’étude des conditions opératoires et des paramètres des différentes composantes fonctionnelles du procédé (torche, gaz plasmagène, injecteur, poudre…) sur le traitement des particules et leurs histoires thermique et dynamique. Le modèle présente l’avantage d’un temps de calcul réduit, de l’ordre d’une dizaine de seconde. Le modèle a été utilisé pour évaluer la quantité de matière nanostructurée conservée en fin de traitement et avant impact sur le substrat. Nous avons également exploité le modèle de dispersion de poudre pour simuler la tache-dépôt formée par la projection ‘statique’ de poudres de différents matériaux et de différentes granulométries.

Titre traduit

Rapid modelling of powders treatment in d. C plasma spraying

Résumé

This work is about to the fast modelling of the d. C plasma spray process. It is especially committed to the treatment of a single particle taking into account phase changes and the size and the velocity vector distributions of particles exiting the injector. First, the bibliography study has considered the d. C plasma spray process with the main phenomena controlling the plasma jet formation, the heat and momentum transfers between plasma and particles and finally the coating generation. A special attention has been given to the different models developed to simulate the process. Second, the bases and the characteristics of the software “Jets&Poudres” are presented before discussing the model developed to calculate rapidly the heat transfer within the particle taking into account the different possible phase changes. The particle evaporation has been decoupled from its trajectory modification by adapting the model “Back pressure” of J. C. Knight to our condition. Then a qualitative study has considered the effect of the dispersion parameters at the injector exit first on the dynamic and thermal treatment of a single particle and second to the coating construction. Then the model of particles behaviour inside the injector, taking into account their collisions with the injector wall and between themselves, has been developed. At last, results of both models are discussed when applied to industrial spray conditions: plasma working condition (plasma forming gas mass flow rate, hydrogen percentage in the Ar-H2 mixture, anode nozzle internal diameter and arc current), particle size distribution. Calculated results fit reasonably with measurement. The model has also been checked for the spraying of particles made of agglomerated nanostructured particles. The effects of injection conditions and particle size distribution have also been tested. It is important to underline that the models developed allow calculating the parameters relative to a single particle in about 10 seconds, against about one hour for conventional model of heat transfer with phase changes and determining, in approximately two hours, the coating formation, the torch and the substrate being fixed, with about 20000 particles.