Fonctionnement du processus d'atomisation des gaz

Table des matières

Vue d'ensemble

L'atomisation au gaz est une méthode de production de poudre métallique qui utilise des jets de gaz inertes à grande vitesse pour désintégrer un flux de métal en fusion en fines particules de poudre sphériques. L'atomisation au gaz est une méthode de production de poudres métalliques. processus d'atomisation du gaz permet d'obtenir un excellent contrôle de la distribution de la taille des particules de poudre, de la morphologie, de la pureté et de la microstructure.

Les principales caractéristiques de la poudre atomisée au gaz sont la forme sphérique des particules, une grande pureté, des tailles fines allant jusqu'à 10 microns et une composition uniforme. L'atomisation de gaz facilite les techniques avancées de fabrication à base de poudre, comme le moulage par injection de métal, la fabrication additive, le pressage et le frittage par métallurgie des poudres.

Ce guide fournit une vue d'ensemble du processus d'atomisation des gaz et des poudres. Il couvre les méthodes d'atomisation, la formation des particules, les paramètres du procédé, l'équipement, les alliages applicables, les caractéristiques des poudres, les spécifications des produits, les applications et les fournisseurs. Des tableaux comparatifs utiles sont inclus pour résumer les détails techniques.

processus d'atomisation du gaz

Comment la Processus d'atomisation des gaz Travaux

L'atomisation au gaz convertit l'alliage fondu en poudre en suivant les étapes fondamentales suivantes :

Étapes du processus d'atomisation du gaz

  • Fusion - L'alliage est fondu dans un four à induction et surchauffé au-dessus de sa température de liquidité.
  • Verser - Flux de métal en fusion versé dans une chambre d'atomisation
  • Atomisation - Des jets de gaz inerte à haute vitesse désintègrent le métal en fines gouttelettes.
  • Solidification - Les gouttelettes de métal se solidifient rapidement en particules de poudre au fur et à mesure qu'elles tombent dans la chambre.
  • Collection - Les particules de poudre sont collectées dans un séparateur cyclonique au bas de la tour.

Le phénomène clé se produit lorsque l'énergie cinétique des jets de gaz surpasse la tension superficielle du métal pour cisailler le flux de liquide en gouttelettes. Ces gouttelettes se figent en particules de poudre de morphologie sphérique.

Un contrôle minutieux du processus permet d'adapter la taille, la pureté et la microstructure des particules de poudre.

Méthodes d'atomisation des gaz

Il existe deux méthodes principales d'atomisation des gaz utilisées dans l'industrie :

Méthodes d'atomisation des gaz

MéthodeDescriptionAvantagesLimites
Atomisation en circuit ferméBuse à proximité du point d'écoulement de la matière fondueConception compacte, consommation de gaz réduiteContamination potentielle de la matière fondue par la buse
Atomisation en chute libreBuse située en dessous du point d'écoulementRéduction de la contamination de la matière fondueNécessite une tour d'atomisation plus haute

Les conceptions à couplage étroit recyclent le gaz d'atomisation mais risquent une certaine oxydation de la matière fondue. La chute libre offre une atmosphère plus propre avec un risque moindre de réaction de la buse.

D'autres variantes comprennent des buses à gaz multiples, une atomisation par ultrasons, une atomisation centrifuge et des buses coaxiales pour des applications spécialisées.

Conception de buses d'atomisation de gaz

Diverses conceptions de buses permettent de créer les jets de gaz à grande vitesse nécessaires à l'atomisation :

Types de buses d'atomisation de gaz

BuseDescriptionSchéma d'écoulement des gazTaille des gouttelettes
De LavalBuse convergente-divergenteSupersoniquesGrande distribution
ConiqueOrifice conique simpleSoniqueMoyen
FenteOrifice à fente allongéeSoniquePetit
MultipleRéseau de micro-busesSonique/supersoniqueTrès petite distribution, étroite

Les buses De Laval utilisent l'accélération des gaz à des vitesses supersoniques, mais leur géométrie est complexe. Les buses soniques aux formes simplifiées offrent une plus grande flexibilité.

L'utilisation de plusieurs microbuses ou de configurations de fentes permet d'obtenir des gouttelettes plus petites et une distribution de taille étroitement contrôlée.

Formation et solidification des poudres

Le cisaillement du métal en fusion en gouttelettes et la solidification qui s'ensuit suivent des mécanismes distincts :

Étapes de la formation de la poudre

  • Rupture - L'instabilité du jet de Rayleigh provoque des perturbations et la formation de gouttelettes
  • Distorsion - Les gouttelettes s'allongent en ligaments sous l'effet des forces de traînée de l'air.
  • Rupture - Les ligaments se décomposent en gouttelettes proches de leur taille finale
  • Solidification - Le refroidissement rapide par contact avec le gaz et le rayonnement forme des particules solides
  • Décélération - Perte de vitesse lorsque les particules descendent dans la chambre d'atomisation

Les effets combinés de la tension superficielle, de la turbulence et de la résistance de l'air déterminent la taille et la morphologie des particules finales. Les vitesses maximales de refroidissement des particules supérieures à 1 000 000 °C/s éteignent les phases métastables.

Paramètres du processus

Les paramètres clés du processus d'atomisation du gaz sont les suivants :

Processus d'atomisation des gaz Paramètres

ParamètresGamme typiqueEffet sur la poudre
Pression du gaz2-10 MPaL'augmentation de la pression réduit la taille des particules
Vitesse du gaz300-1200 m/sUne vitesse plus élevée produit des particules plus fines
Débit de gaz0,5-4 m3/minAugmentation du débit pour un meilleur rendement et des tailles plus fines
Surchauffe de la matière fondue150-400°CUne surchauffe plus élevée réduit les satellites et améliore l'écoulement de la poudre.
Taux de coulée de la matière fondue10-150 kg/minDes taux d'écoulement plus faibles améliorent la distribution de la taille des particules
Diamètre du flux de fusion3-8 mmUn flux plus important permet un débit plus élevé
Distance de séparation0.3-1 mUne plus grande distance réduit le contenu des satellites

L'équilibrage de ces paramètres permet de contrôler la taille et la forme des particules de poudre, le taux de production et d'autres caractéristiques.

Systèmes d'alliage pour l'atomisation des gaz

L'atomisation au gaz permet de transformer presque n'importe quel alliage en poudre, y compris :

Alliages adaptés à l'atomisation des gaz

  • Alliages de titane
  • Superalliages de nickel
  • Superalliages de cobalt
  • Aciers inoxydables
  • Aciers à outils
  • Aciers faiblement alliés
  • Alliages à base de fer et de nickel
  • Métaux précieux
  • Intermétalliques

L'atomisation de gaz nécessite des températures de fusion inférieures au point de décomposition du gaz d'atomisation. Les gaz typiques sont l'argon, l'azote et l'hélium.

Les alliages réfractaires ayant un point de fusion très élevé, comme le tungstène, peuvent être difficiles à atomiser et nécessitent souvent un traitement spécialisé.

La plupart des alliages nécessitent une surchauffe de la matière fondue bien au-dessus de la température du liquidus afin de maintenir une fluidité suffisante pour l'atomisation en gouttelettes finement dispersées.

Caractéristiques des poudres atomisées au gaz

Caractéristiques typiques de la poudre atomisée au gaz :

Caractéristiques des poudres atomisées au gaz

CaractéristiqueDescriptionImportance
Morphologie des particulesTrès sphériqueExcellente fluidité, densité de tassement
Distribution de la taille des particulesRéglable dans une plage de 10 à 150 μmContrôle la densité de pressage et le comportement de frittage
Taille des particulesPeut réaliser des distributions serréesFournit des propriétés uniformes pour les composants
Pureté chimiqueGénéralement >99,5% à l'exclusion des alliages prévusÉviter la contamination par les réactions de la buse
Teneur en oxygène<1000 ppmEssentiel pour les alliages à haute performance
Densité apparenteJusqu'à 60% théoriquesIndicateur de souplesse et de maniabilité
Porosité interneTrès faibleBon pour l'homogénéité de la microstructure
Morphologie de la surfaceLisse avec certains satellitesIndique la stabilité du processus

La forme sphérique et la distribution réglable de la taille facilitent l'utilisation dans les processus de consolidation des poudres secondaires. Le contrôle étroit de l'oxygène et de la chimie permet d'obtenir des alliages de haute performance.

Spécifications pour les poudres atomisées au gaz

Les spécifications internationales normalisées aident à définir :

  • Distribution de la taille des particules
  • Plages de densité apparente
  • Débit de Hall
  • Niveaux acceptables d'oxygène et d'azote
  • Microstructure et porosité admissibles
  • Limites de composition chimique
  • Procédures d'échantillonnage

Cela permet un contrôle de la qualité et un comportement reproductible de la poudre.

Spécifications pour les poudres atomisées au gaz

StandardMatériauxParamètresMéthodes d'essai
ASTM B964Alliages de titaneTaille des particules, chimie, microstructureDiffraction des rayons X, microscopie
AMS 4992Alliages de titane pour l'aérospatialeTaille des particules, teneur en oxygèneAnalyse granulométrique, fusion sous gaz inerte
ASTM B823Poudre d'acier à outilsDensité apparente, débitDébitmètre à effet Hall, volumètre à effet Scott
SAE AMS 5050Alliages de nickelTaille des particules, morphologieDiffraction laser, SEM
MPIF 04Nombreux alliages standardDensité apparente, débitDébitmètre à effet Hall, masse volumique prélevée

Les spécifications sont adaptées aux exigences des applications critiques dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile, de la médecine et d'autres industries axées sur la qualité.

Applications de la poudre atomisée au gaz

Les poudres atomisées au gaz permettent la fabrication de composants de haute performance via :

  • Moulage par injection de métal (MIM)
  • Fabrication additive (AM)
  • Pressage isostatique à chaud (HIP)
  • Forgeage des poudres
  • Pulvérisation thermique et à froid
  • Métallurgie des poudres Pressage et frittage

Avantages par rapport aux matériaux forgés :

  • Géométries complexes avec des caractéristiques fines
  • Excellentes propriétés mécaniques
  • Consolidation presque complète de la densité
  • Alliages nouveaux et personnalisés
  • Gamme d'options de matériaux

L'atomisation au gaz excelle dans la production de poudres sphériques et fluides, optimales pour le traitement automatisé de composants complexes répondant à des normes de qualité élevées dans tous les secteurs d'activité.

Fournisseurs mondiaux de poudres atomisées au gaz

Les principaux fournisseurs mondiaux de poudres atomisées au gaz sont les suivants :

Fabricants de poudres atomisées au gaz

EntrepriseMatériauxCapacités
ATI Powder MetalsAlliages de titane, de nickel et d'acier à outilsLarge gamme d'alliages, volumes élevés
Praxair Surface TechnologiesAlliages de titane, de nickel et de cobaltLarge choix d'alliages, traitement à façon
Sandvik OspreyAciers inoxydables, aciers faiblement alliésSpécialistes des matériaux ferreux
HöganäsAciers à outils, aciers inoxydablesAlliages sur mesure, poudres pour la fabrication additive
Additif pour charpentierAlliages de titane, de nickel et de cobaltAlliages sur mesure, tailles de particules spécialisées

De plus petits fournisseurs régionaux proposent également des poudres atomisées au gaz, souvent pour des alliages ou des applications de niche.

De nombreux fournisseurs se chargent également du tamisage, du mélange, du revêtement et d'autres opérations de post-traitement des poudres.

Avantages et limites de l'atomisation des gaz

Atomisation gazeuse - Avantages et inconvénients

AvantagesLimites
Morphologie de la poudre sphériqueDes coûts d'investissement initiaux plus élevés
Distribution contrôlée de la taille des particulesNécessite un gaz inerte de haute pureté
Applicable à de nombreux systèmes d'alliageAlliages réfractaires difficiles à atomiser
Chimie et microstructure des poudres propresRisque d'érosion de la buse
La trempe rapide des poudres préserve les phases métastablesNécessite une surchauffe de la matière fondue bien au-dessus du liquidus
Processus de production de poudre en continuLa forme de la poudre limite la résistance à l'état vert

La forme sphérique et la finesse de la poudre atomisée au gaz offrent des avantages indéniables, mais entraînent des coûts d'exploitation plus élevés que les procédés de broyage mécanique plus simples.

Sélection de la poudre atomisée au gaz

Aspects clés lors de la sélection de la poudre atomisée au gaz :

  • Chimie et composition de l'alliage souhaitées
  • Distribution de la taille des particules cibles
  • Plages de densité apparente et de densité de piquage appropriées
  • Limites d'oxygène et d'azote dictées par l'application
  • Caractéristiques d'écoulement pour la manipulation automatisée des poudres
  • Procédures d'échantillonnage pour assurer la représentativité
  • Expertise technique du fournisseur et service à la clientèle
  • Considérations sur le coût total

L'essai de prototypes permet de qualifier de nouveaux alliages et de nouvelles poudres atomisées pour une application. Une collaboration étroite avec le producteur de poudre permet d'optimiser le processus.

FAQ

Quelle est la plus petite taille de particule que l'atomisation du gaz peut produire ?

Des buses spécialisées peuvent produire des poudres d'un micron à un chiffre jusqu'à 1-5 microns. Cependant, la poudre ultrafine a une densité apparente très faible et présente de fortes forces de Van der Waals entre les particules, ce qui nécessite une manipulation prudente.

Qu'est-ce qui cause les satellites de poudre lors de l'atomisation du gaz ?

Les satellites se forment lorsque les gouttelettes sont trop grosses ou entrent en collision et se rejoignent partiellement avant de se solidifier complètement. Une surchauffe plus élevée, des taux de coulée plus faibles et une distance de séparation plus importante contribuent à réduire les satellites.

Pourquoi un gaz inerte de haute pureté est-il nécessaire pour l'atomisation du gaz ?

Les jets de gaz à grande vitesse peuvent éroder le métal de la buse au fil du temps et contaminer la poudre. Les gaz réactifs comme l'azote et l'oxygène ont également un effet négatif sur la pureté de la poudre et la performance des alliages.

Comment la pulvérisation de gaz se compare-t-elle à la pulvérisation d'eau ?

L'atomisation à l'eau produit des poudres plus irrégulières à des tailles plus importantes, de 50 à 150 microns en général. L'atomisation au gaz permet d'obtenir des tailles plus fines, jusqu'à 10 microns, avec des morphologies sphériques préférées pour les applications de pressage et de frittage.

Qu'est-ce que l'atomisation centrifuge ?

Dans l'atomisation centrifuge, le métal en fusion est versé dans un disque en rotation qui projette de fines gouttelettes de métal en fusion qui se solidifient en poudre. Cette méthode offre des taux de production plus élevés que l'atomisation au gaz, mais un contrôle réduit de la taille et de la forme de la poudre.

Peut-on changer rapidement d'alliage pendant l'atomisation au gaz ?

Oui, avec un équipement spécialisé, le flux de fusion peut être modifié rapidement pour produire des poudres composites et alliées. Cependant, la contamination croisée entre les alliages doit être minimisée par la purge de la chambre.

Conclusion

Le processus d'atomisation au gaz produit des poudres métalliques sphériques et fluides dont la distribution granulométrique, la pureté et les caractéristiques microstructurales sont étroitement contrôlées et optimales pour les processus avancés de consolidation des poudres dans des applications critiques. La manipulation minutieuse des paramètres du procédé et la conception de buses spécialisées permettent un contrôle étendu des caractéristiques finales de la poudre. Grâce à un développement continu, l'atomisation gazeuse offre aux ingénieurs une plus grande capacité à fabriquer des composants de haute performance de manière créative.

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