EP2202332A1 - Méthode d'accélération gazodynamique de matériaux en poudre et dispositif pour sa mise en oeuvre - Google Patents

Méthode d'accélération gazodynamique de matériaux en poudre et dispositif pour sa mise en oeuvre Download PDF

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EP2202332A1
EP2202332A1 EP09180869A EP09180869A EP2202332A1 EP 2202332 A1 EP2202332 A1 EP 2202332A1 EP 09180869 A EP09180869 A EP 09180869A EP 09180869 A EP09180869 A EP 09180869A EP 2202332 A1 EP2202332 A1 EP 2202332A1
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EP
European Patent Office
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nozzle
powder
supersonic
gas
particles
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EP09180869A
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Vladimir Federovich Kosarev
Sergey Vladimirovich Klinkov
Bernard Laget
Philippe Bertrand
Igor Smurov
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Ecole Nationale dIngenieurs de Saint Etienne ENISE
De L'academie Des Sciences De Russie "institut De Mecanique Theorique Et Appliquee Sa Khristianovich" Ets
Original Assignee
Ecole Nationale dIngenieurs de Saint Etienne ENISE
De L'academie Des Sciences De Russie "institut De Mecanique Theorique Et Appliquee Sa Khristianovich" Ets
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    • B05B7/1481Spray pistols or apparatus for discharging particulate material
    • B05B7/1486Spray pistols or apparatus for discharging particulate material for spraying particulate material in dry state
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Definitions

  • the present invention relates to a method and device for gasodynamic acceleration of powdered materials for use in mechanics and other industrial fields to form functional coatings providing different properties on the treated surfaces.
  • the present invention can be implemented in processes using high velocity impacts between powder particles and a substrate surface such as sanding of surfaces, breaking up / granulating of powder particles, etc.
  • the document UK No. 2257423 thus describes a system which comprises a projection module composed of an electric compressed gas heater and a supersonic nozzle connected to the outlet orifice of said heater and comprising a powder injection module in said nozzle, a module of control connected to the electric gas heater compressed by a flexible pipe and by an electric cable, a powder supply container whose outlet is connected to the powder injection module in the nozzle.
  • said heater comprises a leather cover which envelops a metal frame leaving a free space between it and said frame, the free space being filled with a heat-insulating material and said frame having a heat exchanger and having vents for the circulation of a cooling gas inside the cover.
  • the powder injection module in the nozzle provides, according to a preferred embodiment, the injection of the powder into the supercritical zone of the supersonic nozzle at oblique with respect to the longitudinal axis of the nozzle in order to to increase the efficiency of the projection process by a more uniform distribution of the powder material in the cross-section of the nozzle.
  • the device provides for the use of nozzles having the round or rectangular cross section depending on the geometric shapes of the treated surfaces of a workpiece. Depending on the composition of the material used, the ratio between the length of the supersonic portion of the nozzle and the dimension of the minimum cross section of said nozzle may vary from 20 to 100.
  • the disadvantage of this device is that the dimensions of the supersonic nozzle as an integral part are in no way related to the size of diameter and the density of the material of the projected particles. Therefore, by using this device, it is impossible to communicate to the particles during their movement in the supersonic part of the nozzle the optimum acceleration to reach the impact velocity on the surface of the maximum treated part susceptible of to be achieved by the projected particles in view of their size and density characteristics and, consequently, to ensure the maximum quality of the resulting coatings.
  • the document UK No. 2288970 discloses a cold gasodynamic projection system of powder materials which comprises an electric compressed gas heater, a supersonic nozzle (called Laval) connected by an outlet orifice to said heater and having a groove located between the convergent and divergent portions of said nozzle, a powder injection module in the nozzle having injection points for injection of powder into the nozzle and located upstream of the nozzle after the groove, said injection module comprising at least one container of powder supply connected by pipes to said injection points of at least one powder material, and the geometric characteristics of the nozzle portion located upstream of the powder injection points and for accelerating the powder particles injected into the nozzle corresponding to the following conditions: 0.015 ⁇ B ( Jump / Sinj -1) / L ⁇ 0.03, where Sout is the cross sectional area of the nozzle to at its outlet end, Sinj is the cross-sectional area of the nozzle at the position of the powder injection points, L is the length of the portion of the nozzle intended to accelerate the injected powder particles in the nozzle
  • the disadvantage of this device is that the dimensions of the supersonic nozzle as an integral part are in no way related to the size of the diameter and the density of the material of the projected particles. Therefore, by using this device, it is impossible to communicate to the particles during their movement in the supersonic part of the nozzle the optimum acceleration to reach the impact velocity on the surface of the maximum treated part susceptible of to be reached by the projected particles taking into account their size and density characteristics and, consequently, to ensure the maximum quality of the resulting coatings.
  • the formula 0.015 ⁇ B (Jump / Sinj -1) / L ⁇ 0.03 used by this method and this device does not determine the ratio of the length of the nozzle portion for accelerating the powder particles to the minimum dimension of the cross-section at the position of the powder injection points.
  • the document US 6,743,468 The closest known state of the art describes a method and device for depositing coatings on the surface of a workpiece by kinetic projection and thermal spraying using one and the same nozzle.
  • the device according to this invention comprises a gas heater allowing the user to switch from the kinetic projection mode which is carried out without thermal softening of the particles to thermal projection mode with thermal softening of particles before the projection.
  • Such a nozzle construction broadens the spectrum of applications of the method in kinetic projection.
  • this device is unable to provide a high impact speed on the surface of a workpiece treated with particles having a size of less than 1 ⁇ m in diameter because particles of such dimensions would be slowed considerably in a compressible boundary layer formed by a supersonic jet impacting a target.
  • the object of the present invention is to impart to the particles during their movement in the supersonic part of the nozzle the optimum acceleration to reach the impact velocity on the surface of the maximum treated part susceptible to to achieve the given gas parameters (composition, temperature and stagnation pressure) by means of the development and application of the nozzles having the optimal geometrical parameters, in particular the ratio between the length of the supersonic part and the critical section, specifically calculated for the use of particles having a size and density of the material constituting them.
  • the outlet orifice of the nozzle used must have dimensions specially provided for this purpose.
  • the supersonic part of such a nozzle must be shortened.
  • the particles to be sprayed must be selected having a size that would allow them to reach the maximum impact velocity at the target surface likely to be reached.
  • the particles of small dimensions are well accelerated in the nozzle, but strongly slowed in the compressible boundary layer.
  • the present invention advantageously solves the problems mentioned above by proposing a cold gas-dynamic acceleration method of at least one powder material comprising feeding said powder material into a supersonic nozzle via an injection point, its acceleration by a supersonic gas flow and its deposition by impact on the surface of a workpiece, the method taking into account the size of the particles and the density of the material constituting them as well as the parameters of the gas in order to give the particles of powder entrained by the gas flow the maximum speed that can be reached at their impact on the surface of the treated part by accelerating the flow of gas and powder in the supersonic part of the nozzle whose length and transverse dimension correspond to the following conditions:
  • the method according to the invention can use as compressed carrier gas: compressed air, compressed nitrogen, compressed helium or a mixture of these gases.
  • the compressed gas is heated to temperatures between 300 and 9800 K.
  • the powder materials used are, for example, made up of particles having a size of between 0.1 and 1000 ⁇ m.
  • the method may use: metallic powder materials, nonmetallic powder materials, metal powder mixtures having values of ⁇ p d p near, non-metallic powder mixtures having values of ⁇ p d p near or mixtures of metallic and non-metallic powders having values of ⁇ p d p near.
  • the present method is implemented by a cold gas-dynamic acceleration device of at least one powder material comprising a supersonic nozzle connected to a powder injector, a powder feeder connected by an outlet orifice to said powder injector.
  • One of the advantages of the method and apparatus for the gas-powder spraying of proposed powder materials is that depending on the particle size and the density of the material constituting them selected for a separate technological operation as well as the pressure and gas temperature (for example, air, nitrogen, helium or the mixture of at least two of these gases), the dimensions of the supersonic part of the nozzle used may be calculated so as to ensure the maximum speed of the impact of the particles on the target surface that can be reached, and thereby to advantageously improve the quality of the deposit, the efficiency and the quality of the surface cleaning process, the efficiency of the fragmentation / granulation of particles.
  • the pressure and gas temperature for example, air, nitrogen, helium or the mixture of at least two of these gases
  • the particle size of the powder it is possible to vary the particle size of the powder by choosing the particle size of the desired powder material so as to ensure a high yield of deposition and high quality of the resulting coating, the successful completion of the sanding process of a surface having a fine grain structure corresponding to the size of the projected particles.
  • the device for accelerating gasodynamic cold powder materials comprises a removable and exchangeable supersonic nozzle 1 connected to the outlet of an electric heater 2 and a powder injector in said nozzle 3, a powder dispenser 4 whose the outlet port is connected to said powder injector.
  • the process is carried out as follows.
  • the simulated ratios presented above are used to calculate the main dimensions of the nozzle: the length of the supersonic part and the critical section (the height for a flat nozzle and the diameter of the critical section for an axisymmetric nozzle). Particles entrained by a flow of gas in such a specially calculated nozzle are given the maximum speed that can be achieved at their impact on the surface of the treated part by accelerating the flow of gas and powder in the part. supersonic of said nozzle, flat or axisymmetric.

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Abstract

La méthode comprend l'alimentation dudit matériau en poudre dans une buse supersonique via un point d'injection, son accélération par un flux de gaz supersonique et son dépôt par impact sur la surface d'une pièce. La méthode prend en compte la taille des particules et la densité dudit matériau les constituant ainsi que les paramètres du gaz afin de conférer aux particules de poudre entraînées par le flux de gaz la vitesse maximale susceptible d'être atteinte à leur impact à la surface de la pièce traitée grâce à l'accélération du flux de gaz et de poudre dans la partie supersonique de la buse dont la longueur et la dimension transversale correspondent aux conditions suivantes : L = 4 , 35 ¢ Á p ¢ d p ± 50 % ; b = 0 , 065 ¢ Á p ¢ d p ± 50 % , où L est la longueur de la partie supersonique de la buse, Á p est la densité d'une particule dudit matériau, d p est le diamètre d'une particule et b est selon le cas soit le diamètre (dans le cas d'une buse axisymétrique) soit la hauteur (dans le cas d'une buse plate) de la section critique.

Description

  • La présente invention concerne une méthode et un dispositif d'accélération gazodynamique de matériaux en poudre en vue de l'utilisation dans la mécanique et d'autres domaines industriels pour former des revêtements fonctionnels apportant des propriétés différentes sur les surfaces traitées. En outre, la présente invention peut être mise en oeuvre dans les procédés utilisant les impacts à haute vitesse entre des particules de poudre et une surface de substrat tels que le sablage des surfaces, le morcèlement/granulation de particules de poudre, etc.
  • On connait déjà des systèmes de projection gazodynamique des matériaux en poudre.
  • Le document RU n° 2257423 décrit ainsi un système qui comporte un module de projection composé d'un réchauffeur électrique de gaz comprimé et d'une buse supersonique reliée à l'orifice de sortie dudit réchauffeur et comportant un module d'injection de poudre dans ladite buse, un module de commande relié au réchauffeur électrique de gaz comprimé par une conduite flexible et par un câble électrique, un conteneur d'alimentation en poudre dont l'orifice de sortie est reliée au module d'injection de poudre dans la buse. Pour sécuriser le fonctionnement du système en diminuant la température des composants extérieurs du réchauffeur électrique de gaz comprimé, ledit réchauffeur comporte une housse en cuir qui enveloppe un bâti métallique en laissant un espace libre entre lui et ledit bâti, l'espace libre étant rempli d'un matériau calorifuge et ledit bâti comportant un échangeur de chaleur et ayant des orifices d'aération permettant la circulation d'un gaz de refroidissement à l'intérieur de la housse. Le module d'injection de poudre dans la buse prévoit, selon une forme de réalisation préférée, l'injection de la poudre dans la zone supercritique de la buse supersonique à l'oblique par rapport à l'axe longitudinale de la buse afin d'augmenter l'efficacité du procédé de projection grâce à une répartition plus uniforme du matériau en poudre dans la section transversale de la buse. Le dispositif prévoit l'utilisation des buses ayant la section transversale ronde ou rectangulaire en fonction des formes géométriques des surfaces traitées d'une pièce. En fonction de la composition du matériau utilisé, le rapport entre la longueur de la partie supersonique de la buse et la dimension de la section transversale minimale de ladite buse peut varier de 20 à 100.
  • L'inconvénient de ce dispositif est que les dimensions de la buse supersonique en faisant partie intégrante ne sont aucunement liées à la taille de diamètre et la densité du matériau des particules projetées. De ce fait, en utilisant ce dispositif, il est impossible de communiquer aux particules au cours de leur mouvement dans la partie supersonique de la buse l'accélération optimale pour atteindre la vitesse d'impact à la surface de la pièce traitée maximale susceptible d'être atteinte par les particules projetées compte tenu de leurs caractéristiques de taille et de densité et, par conséquent, d'assurer la qualité maximale des revêtements résultants.
  • Le document RU n° 2288970 décrit un système de projection gazodynamique à froid des matériaux en poudre qui comporte un réchauffeur électrique de gaz comprimé, une buse supersonique (dite de Laval) reliée par un orifice de sortie audit réchauffeur et comportant une gorge située entre les parties convergente et divergente de ladite buse, un module d'injection de poudre dans la buse comportant des points d'injection destinés à l'injection de poudre dans la buse et situés en amont de la buse après la gorge, ledit module d'injection comportant au moins un conteneur d'alimentation en poudre relié par des conduites auxdits points d'injection d'au moins un matériau en poudre, et les caractéristiques géométriques de la partie de la buse située en amont des points d'injection de poudre et destinée à accélérer les particules de poudre injectées dans la buse correspondant aux conditions suivantes : 0,015 < B(Saut/Sinj-1)/L < 0,03, où Sout est l'aire de la section transversale de la buse à son extrémité de sortie, Sinj est l'aire de la section transversale de la buse à l'endroit de la position des points d'injection de poudre, L est la longueur de la partie de la buse destinée à accélérer les particules de poudre injectées dans la buse, B est la dimension minimale de la section transversale de la buse à l'endroit de la position des points d'injection de poudre. Le dispositif prévoit l'utilisation des buses ayant la section transversale ronde ou rectangulaire en fonction des formes géométriques et de la composition des surfaces traitées d'une pièce ainsi que des objectifs visés et des caractéristiques du revêtement résultant désirées.
  • Comme dans le cas précédant, l'inconvénient de ce dispositif est que les dimensions de la buse supersonique en faisant partie intégrante ne sont aucunement liées à la taille de diamètre et la densité du matériau des particules projetées. De ce fait, en utilisant ce dispositif, il est impossible de communiquer aux particules au cours de leur mouvement dans la partie supersonique de la buse l'accélération optimale pour atteindre la vitesse d'impact à la surface de la pièce traitée maximale susceptible d'être atteinte par les particules projetées compte tenu de leurs caractéristiques de taille et de densité et, par conséquent, d'assurer la qualité maximale des revêtements résultants. Or, le rapport typique des aires Sout et Sinj étant Sout/Sinj ≈ 2 - 4, la formule 0,015 < B(Saut/Sinj-1)/L < 0,03 utilisée par ce procédé et ce dispositif, en effet, ne détermine que le rapport entre la longueur de la partie de la buse destinée à accélérer les particules de poudre et la dimension minimale de la section transversale à l'endroit de la position des points d'injection de poudre. Par exemple, une buse ayant B = 0,1 mm, L = 5 mm et Sout/Sinj = 2 et, par cela, satisfaisant à la formule proposée ne permettrait pas de réaliser un revêtement à partir des particules ayant des tailles dans la gamme indiquée parce que le parcours d'accélération serait trop court pour que les particules puissent atteindre la vitesse nécessaire pour effectuer un dépôt.
  • Le document US 6 743 468 considéré comme l'état de la technique le plus proche décrit un procédé et un dispositif pour le dépôt de revêtements sur la surface d'une pièce par projection cinétique et projection thermique en utilisant une seule et même buse. Le dispositif selon cette invention comporte un réchauffeur de gaz permettant à l'utilisateur de passer du mode de projection cinétique qui s'effectue sans amollissement thermique de particules au mode de projection thermique avec amollissement thermique de particules avant la projection. Une telle construction de buse s'élargit le spectre d'applications de la méthode dans la projection cinétique. La méthode selon cette invention utilise des particules ayant une taille de diamètre dp = 50 - 250 µm et des buses ayant des dimensions comme suit : la longueur de la partie supersonique est L = 60 - 400 mm, le diamètre de la section critique de la buse axisymétrique est dcr = 1,5 - 3,5 mm.
  • L'inconvénient de ce procédé et de ce dispositif est que les dimensions de la buse supersonique en faisant partie intégrante sont optimisées uniquement compte tenu de l'utilisation des particules ayant des tailles dans la gamme revendiquée dans le brevet (dp = 50 - 250 µm) et ne sont aucunement liées à la densité du matériau des particules. De ce fait, il est impossible, en mettant en oeuvre cette invention, de communiquer aux particules projetées au cours de leur mouvement dans la partie supersonique de la buse l'accélération optimale pour atteindre la vitesse d'impact à la surface de la pièce traitée maximale susceptible d'être atteinte si elles ont une taille distincte de celles revendiquées. Par exemple, ce dispositif est incapable d'assurer une haute vitesse d'impacte à la surface d'une pièce traitée aux particules ayant une taille de diamètre inférieure à 1 µm en raison du fait que les particules de telles dimensions seraient ralenties de façon considérable dans une couche limite compressible formée par un jet supersonique impactant une cible.
  • Dans ce contexte technique, l'objectif de la présente invention est de communiquer aux particules au cours de leur mouvement dans la partie supersonique de la buse l'accélération optimale pour atteindre la vitesse d'impact à la surface de la pièce traitée maximale susceptible d'être atteinte aux paramètres de gaz donnés (composition, température et pression de stagnation) au moyen du développement et de l'application des buses ayant les paramètres géométriques optimales, notamment, le rapport entre la longueur de la partie supersonique et la section critique, calculés spécialement pour l'utilisation des particules ayant une taille et une densité du matériau les constituant concrètes.
  • La présente invention offre les améliorations suivantes par rapport à l'état actuel de la technique :
    • l'augmentation du rendement de déposition et de la qualité des revêtements déposés par la projection gazodynamique à froid ;
    • la possibilité d'utiliser dans la projection gazodynamique à froid et le sablage des surfaces, selon une réalisation préférée, les particules ayant une taille inférieure à 1 µm et d'obtenir une résolution spatiale inférieure à 1 mm;
    • l'augmentation du rendement des procédés de sablage des surfaces et de morcèlement/granulation de particules.
  • Prenons un exemple. On souhaite déposer un revêtement à partir d'un matériau en poudre avec les particules ayant un diamètre d'environ 100 nm (nanoparticules). Il ne se formera pas de dépôt si l'on utilise une buse de projection gazodynamique traditionnelle, c'est-à-dire, avec la longueur de la partie supersonique d'environ 100 mm et le diamètre de la section critique d'environ 3 mm. Cela s'explique par le fait que les particules de si faibles dimensions n'atteindront pas de grandes vitesses d'impact à la surface de cible à cause d'un ralentissement considérable qu'elles subiront dans une couche limite compressible formée par un jet supersonique impactant une cible.
  • Il y a encore un aspect à considérer. Si l'on souhaite obtenir une haute résolution spatiale du procédé mise en oeuvre, comme, par exemple, le dépôt de cordons de moins de 1 mm de largeur ou la fabrication directe d'objets tridimensionnels par projection de poudres, l'orifice de sortie de la buse utilisée doit avoir des dimensions spécialement prévues à cet effet. La partie supersonique de telle buse doit être raccourcie. En fonction des dimensions choisies d'une buse, les particules à projeter doivent être sélectionnées ayant une taille qui leur permettrait d'atteindre la vitesse maximale d'impact à la surface de cible susceptible d'être atteinte. Or, les particules de faibles dimensions sont bien accélérées dans la buse, mais fortement ralenties dans la couche limite compressible. Les particules grosses, au contraire, ne subissent presque pas de ralentissement dans la couche limite compressible, mais en même temps, leur accélération dans la buse est difficile. C'est pourquoi il s'agit d'opter pour une taille de particules qui permettrait aux particules projetées d'atteindre la vitesse maximale d'impact à la surface de cible et, de ce fait, d'obtenir le rendement de déposition et la qualité des revêtements déposés maximaux ou d'autres caractéristiques performantes propres au procédé mis en oeuvre (sablage des surfaces, morcèlement/granulation de particules).
  • La présente invention résout avantageusement les problèmes évoqués ci-dessus en proposant une méthode d'accélération gazodynamique à froid d'au moins un matériau en poudre comprenant l'alimentation dudit matériau en poudre dans une buse supersonique via un point d'injection, son accélération par un flux de gaz supersonique et son dépôt par impact sur la surface d'une pièce, la méthode prenant en compte la taille des particules et la densité du matériau les constituant ainsi que les paramètres du gaz afin de conférer aux particules de poudre entraînées par le flux de gaz la vitesse maximale susceptible d'être atteinte à leur impact à la surface de la pièce traitée grâce à l'accélération du flux de gaz et de poudre dans la partie supersonique de la buse dont la longueur et la dimension transversale correspondent aux conditions suivantes : L = 4 , 35 ρ p d p ± 50 % ; b = 0 , 065 ρ p d p ± 50 % ,
    Figure imgb0001

    L est la longueur de la partie supersonique de la buse, ρp est la densité d'une particule dudit matériau, dp est le diamètre d'une particule, b = h est la hauteur de la buse, b = dcr est le diamètre de la section critique de la buse axisymétrique.
  • Les valeurs ci-dessus sont obtenues au moyen de la modélisation mathématique effectuée pour une large gamme de dimensions de particules et de buse, de pressions et de températures de gaz (air, azote, hélium) et comparée à des mesures expérimentales de la vitesse des particules de différentes tailles et de leur densité à l'orifice de sortie de la buse.
  • La méthode selon l'invention peut utiliser, comme gaz comprimé porteur : l'air comprimé, l'azote comprimé, l'hélium comprimé ou un mélange de ces gaz.
  • Selon une réalisation possible, le gaz comprimé est chauffé jusqu'à des températures entre 300 et 9800 K.
  • Les matériaux en poudre utilisés sont par exemple constitués de particules ayant une taille comprise entre 0,1 et 1000 µm.
  • La méthode peut utiliser : des matériaux en poudre métalliques, des matériaux en poudre non métalliques, des mélanges de poudres métalliques ayant des valeurs de ρ pdp proches, des mélanges de poudres non métalliques ayant des valeurs de ρ pdp proches ou des mélanges de poudres métalliques et non métalliques ayant des valeurs de ρ pdp proches.
  • La présente méthode est mise en oeuvre par un dispositif d'accélération gazodynamique à froid d'au moins un matériau en poudre comprenant une buse supersonique reliée à un injecteur de poudre, un doseur de poudre relié par un orifice de sortie audit injecteur de poudre. Ce dispositif prévoit l'utilisation de buses plates ou axisymétriques démontables et échangeables, la longueur de la partie supersonique et la dimension typique de la section critique desdites buses correspondant aux conditions suivantes : L = 4 , 35 ρ p d p ± 50 % , b = 0 , 065 ρ p d p ± 50 % ,
    Figure imgb0002

    L est la longueur de la partie supersonique de la buse, ρ p est la densité d'une particule dudit matériau, dp est le diamètre d'une particule, b = h est la hauteur de la buse, b = dcr est le diamètre de la section critique de la buse axisymétrique.
  • L'un des avantages de la méthode et du dispositif de projection gazodynamique de matériaux en poudre proposés est qu'en fonction de la taille des particules et de la densité du matériau les constituant sélectionnées en vue d'une opération technologique distincte ainsi que de la pression et de la température de gaz (par exemple, air, azote, hélium ou le mélange d'au moins deux de ces gaz), les dimensions de la partie supersonique de la buse utilisée peuvent être calculées de manière à assurer la vitesse maximale d'impact des particules à la surface de cible susceptible d'être atteinte, et, de ce fait, à améliorer avantageusement la qualité du dépôt, le rendement et la qualité du procédé de nettoyage des surfaces, le rendement du procédé de morcèlement/granulation de particules. En même temps, pour assurer la résolution spatiale désirée du procédé de projection ou de sablage des surfaces, il est possible de jouer sur la granulométrie de la poudre en choisissant la taille des particules du matériau en poudre souhaité de manière à assurer un haut rendement de déposition et une haute qualité du revêtement résultant, la bonne réalisation du procédé de sablage d'une surface ayant une structure à grains fins correspondante à la tailles des particules projetées.
  • Pour sa bonne compréhension, l'invention est décrite en référence à la figure unique du dessin ci-annexé représentant à titre d'exemple non limitatif une forme de réalisation d'un dispositif selon l'invention.
  • Le dispositif d'accélération gazodynamique à froid des matériaux en poudre comprend une buse supersonique démontable et échangeable 1 reliée à l'orifice de sortie d'un réchauffeur électrique 2 et à un injecteur de poudre dans ladite buse 3, un doseur de poudre 4 dont l'orifice de sortie est relié audit injecteur de poudre. La partie supersonique de ladite buse peut être, selon une forme de réalisation préférée, de forme plate ou axisymétrique, la buse ayant la longueur de la partie supersonique et la dimension typique de la section critique correspondant aux conditions suivantes : L = 4 , 35 ρ p d p ± 50 % , b = 0 , 065 ρ p d p ± 50 % ,
    Figure imgb0003

    L est la longueur de la partie supersonique de la buse, ρ p est la densité d'une particule dudit matériau, dp est le diamètre d'une particule, b = h est la hauteur de la buse, b = dcr est le diamètre de la section critique de la buse axisymétrique.
  • Le procédé est mis en oeuvre comme suit.
  • En fonction du procédé de projection/sablage/granulation de particules et du choix, à cet effet, de poudre (densité du matériau des particules et leur teilla moyenne) et de pression et de températures de gaz (par exemple, air, azote, hélium ou le mélange d'au moins deux de ces gaz), les rapports simulés présentés ci-dessus sont mis en oeuvre pour calculer les dimensions principales de la buse: la longueur de la partie supersonique et la section critique (la hauteur pour une buse plate et le diamètre de la section critique pour une buse axisymétrique). Les particules entraînées par un flux de gaz dans une telle buse spécialement calculée se voient conférer la vitesse maximale susceptible d'être atteinte à leur impact à la surface de la pièce traitée grâce à l'accélération du flux de gaz et de poudre dans la partie supersonique de ladite buse, plate ou axisymétrique.
  • L'utilisation des buses spécialement conçues pour une taille de diamètre concrète de particules d'un matériau en poudre souhaité permet d'obtenir la vitesse maximale d'impact des particules projetées à la surface de la pièce traitée.
  • On décrit à présent, à titre d'exemples non limitatifs, des variantes d'utilisation de la présente invention avec les particules de différentes tailles.
    1. 1. Des particules de poudre de cuivre de 1 µm de diamètre moyen sont projetées par la méthode gazodynamique à froid. La pression de stagnation de l'azote ou de l'aire, selon une réalisation préférée, est de 2,0 MPa, la température de stagnation est de 700 K. Les rapport simulés pour une buse plate sont L = 4,35ρ pdp ± 50%, h = 0,065ρ pdp 50%. On introduit ρ p = 8940 kg/m3 et dp = 1.10-6 m et obtient les dimensions optimales de la buse L = 20 - 60 mm et h = 0,29 - 0,87 mm qui assureront la vitesse maximale d'impact des particules projetées à la surface de cible.
    2. 2. Pour les particules d'aluminium (ρ p = 2700 kg/m3) de la même taille projetées par une buse axisymétrique, on obtient L = 6 - 18 mm et dcr = 0,09 - 0,26 mm. La pression de stagnation de l'azote ou de l'aire est de 2,0 MPa, la température de stagnation est de 500 K.
    3. 3. On souhaite obtenir une résolution spatiale de 0,5 mm lors de projection de particules de cuivre. On choisi une buse avec 0,5 mm de diamètre d'orifice de sortie et, en conséquence, d'environ 0,3 mm de diamètre de section critique. La pression de stagnation de l'hélium est de 2,0 MPa, la température de stagnation est de 300 K. Selon la formule dcr = 0,065ρ pdp ± 50%, on obtient la taille nécessaire des particules de cuivre et, selon la formule L = 4,35ρpdp ± 50%, on calcule la longueur de la partie supersonique de la buse nécessaire pour communiquer aux particules l'accélération optimale. Dans ce cas, on obtient dp = (0,34 - 1,03)·10-6 m = 0,34 - 1,03 µm et L = 13,2 - 40 mm.
    4. 4. Pour le sablage d'une surface, prenons la poudre d'Al2O3 avec 10 µm de diamètre moyen de particules. La pression de stagnation de l'aire est de 0,6 MPa, la température de stagnation est de 300 K. Les rapports simulés pour une buse plate sont L = 4,35ρpdp ± 50%, h = 0,065ρpdp ± 50%. On introduit ρ p ≈ 4000 kg/m3 et dp = 10·10-6 m et obtient les dimensions optimales de la buse L ≈ 90 - 270 mm et h ≈ 1,2 - 3,7 mm qui assureront la vitesse maximale d'impact des particules projetées à la surface de cible.
  • On souhaite obtenir une résolution spatiale de 1,0 mm lors de sablage d'une surface par projection de la poudre de SiC. On choisi une buse avec 0,1 mm de diamètre d'orifice de sortie et, en conséquence, d'environ 0,5 mm de diamètre de section critique. La pression de stagnation de l'air est de 1,0 MPa, la température de stagnation est de 300 K. Selon la formule dcr = 0,065ρ pdp ± 50%, on obtient la taille nécessaire des particules de carbure de silicium et, selon la formule L = 4,35ρ pdp ± 50%, on calcule la longueur de la partie supersonique de la buse nécessaire pour communiquer aux particules l'accélération optimale. Dans ce cas, on obtient : d p = 1 , 2 - 3 , 6 10 - 6 m = 1 , 2 - 3 , 6 μm et L = 16 , 7 - 50 , 1 mm .
    Figure imgb0004

Claims (13)

  1. Méthode d'accélération gazodynamique à froid d'au moins un matériau en poudre comprenant l'alimentation dudit matériau en poudre dans une buse supersonique via un point d'injection, son accélération par un flux de gaz supersonique et son dépôt par impact sur la surface d'une pièce, caractérisée en ce qu'elle prend en compte la taille des particules et la densité dudit matériau les constituant ainsi que les paramètres du gaz afin de conférer aux particules de poudre entraînées par le flux de gaz la vitesse maximale susceptible d'être atteinte à leur impact à la surface de la pièce traitée grâce à l'accélération du flux de gaz et de poudre dans la partie supersonique de la buse dont la longueur et la dimension transversale correspondent aux conditions suivantes : L = 4 , 35 ρ p d p ± 50 % ; b = 0 , 065 ρ p d p ± 50 % ,
    Figure imgb0005

    où L est la longueur de la partie supersonique de la buse, ρ p est la densité d'une particule dudit matériau, dp est le diamètre d'une particule, b = h est la hauteur de la buse, b = dcr est le diamètre de la section critique de la buse axisymétrique.
  2. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle utilise l'air comprimé comme gaz comprimé porteur.
  3. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle utilise l'azote comprimé comme gaz comprimé porteur.
  4. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle utilise l'hélium comprimé comme gaz comprimé porteur.
  5. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle utilise comme gaz comprimé porteur un mélange d'air comprimé, d'azote comprimé et/ou d'hélium comprimé.
  6. Méthode selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le gaz comprimé est chauffé jusqu'à des températures entre 300 et 9800 K.
  7. Méthode selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle utilise des matériaux en poudre constitués de particules ayant une taille comprise entre 0,1 et 1000 µm.
  8. Méthode selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle utilise des matériaux en poudre métalliques.
  9. Méthode selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle utilise des matériaux en poudre non métalliques.
  10. Méthode selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle utilise des mélanges de poudres métalliques ayant des valeurs de ρ pdp proches.
  11. Méthode selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle utilise des mélanges de poudres non métalliques ayant des valeurs de ρ pdp proches.
  12. Méthode selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce qu'elle utilise des mélanges de poudres métalliques et non métalliques ayant des valeurs de ρ pdp proches.
  13. Dispositif d'accélération gazodynamique à froid d'au moins un matériau en poudre comprenant une buse supersonique reliée à un injecteur de poudre, un doseur de poudre relié par un orifice de sortie audit injecteur de poudre, caractérisé en ce qu'il prévoit l'utilisation de buses plates ou axisymétriques démontables et échangeables, la longueur de la partie supersonique et la dimension typique de la section critique desdites buses correspondant aux conditions suivantes : L = 4 , 35 ρ p d p ± 50 % , b = 0 , 065 ρ p d p ± 50 % ,
    Figure imgb0006

    L est la longueur de la partie supersonique de la buse, ρ p est la densité d'une particule dudit matériau, dp est le diamètre d'une particule, b = h est la hauteur de la buse, b = dcr est le diamètre de la section critique de la buse axisymétrique.
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