Machine à atomiser l'eau pour poudre métallique de 100 à 400 mesh

La poudre obtenue par atomisation sous vide présente l'avantage d'une grande pureté, d'une faible teneur en oxygène et d'une granulométrie fine. Après des années d'innovation et d'amélioration continues, la technologie d'atomisation sous vide est devenue la principale méthode de production de poudres métalliques et d'alliages haute performance, et un facteur clé de la recherche sur les nouveaux matériaux et du développement des nouvelles technologies. Cet article présente le principe, le procédé et les équipements de broyage de la poudre par atomisation sous vide, et analyse les types et les applications des poudres ainsi produites.

L'atomisation est une méthode de préparation de poudres dans laquelle un fluide en mouvement rapide (milieu d'atomisation) fragmente un métal ou un alliage liquide en fines gouttelettes, lesquelles sont ensuite condensées en poudre solide. Les particules de poudre atomisée présentent une composition chimique homogène identique à celle de l'alliage fondu d'origine et, grâce à la solidification rapide, leur structure cristalline est affinée, éliminant ainsi la macroségrégation de la seconde phase. Le milieu d'atomisation le plus couramment utilisé est l'eau, tandis que l'atomisation par ultrasons est appelée atomisation à l'eau ou atomisation au gaz. Les poudres métalliques préparées par atomisation à l'eau offrent un rendement élevé et une bonne rentabilité, ainsi qu'une vitesse de refroidissement rapide. Cependant, ces poudres présentent une teneur en oxygène élevée et une morphologie irrégulière, généralement sous forme de flocons. La poudre préparée par atomisation ultrasonique, quant à elle, se caractérise par une granulométrie fine, une sphéricité élevée et une faible teneur en oxygène. Elle est devenue la méthode de référence pour la production de poudres métalliques et d'alliages sphériques haute performance.

La technologie de pulvérisation par atomisation de gaz sous haute pression et fusion sous vide intègre les technologies du vide poussé, de la fusion à haute température et de l'atomisation de gaz à haute pression et à grande vitesse. Elle répond aux besoins du développement de la métallurgie des poudres, notamment pour la production d'alliages de haute qualité contenant des poudres d'éléments actifs. La technologie de pulvérisation par atomisation de gaz/ultrasons est une nouvelle technologie de solidification rapide. Grâce à sa vitesse de refroidissement élevée, la poudre obtenue présente un grain fin, une composition homogène et une solubilité solide élevée.

Outre les avantages mentionnés ci-dessus, la poudre métallique produite par atomisation gazeuse sous vide à haute pression présente les trois caractéristiques suivantes : pureté, faible teneur en oxygène, rendement élevé en poudre fine et sphéricité élevée. Les matériaux structuraux ou fonctionnels fabriqués à partir de cette poudre offrent de nombreux avantages par rapport aux matériaux conventionnels, tant sur le plan des propriétés physiques que chimiques. Parmi les poudres développées, on peut citer les poudres de superalliages, les poudres d’alliages pour projection thermique, les poudres d’alliages de cuivre et les poudres d’acier inoxydable.

1. Procédé et équipement de broyage de poudre par atomisation sous vide

1.1 Procédé de broyage de poudre par atomisation sous vide

Le procédé de pulvérisation par atomisation sous vide est un procédé récent développé dans l'industrie de la fabrication de poudres métalliques. Il présente l'avantage d'une faible oxydation des matériaux, d'un refroidissement rapide de la poudre et d'un haut degré d'automatisation. Concrètement, après fusion et affinage de l'alliage (métal) dans un four à induction, le métal en fusion est versé dans un moule à isolation thermique, puis acheminé par un tube de guidage et une buse. Le flux de gaz sous haute pression pulvérise alors le métal en fusion. La poudre ainsi obtenue se solidifie et se dépose dans la tour d'atomisation, puis tombe dans le réservoir de collecte.

L'équipement d'atomisation, l'atomisation ultrasonique et l'écoulement du métal liquide constituent les trois aspects fondamentaux du procédé d'atomisation gazeuse. Dans l'équipement d'atomisation, les ultrasons injectés accélèrent et interagissent avec le flux de métal liquide injecté pour former un champ d'écoulement. Dans ce champ d'écoulement, le métal en fusion est fragmenté, refroidi et solidifié, permettant ainsi d'obtenir une poudre aux caractéristiques spécifiques. Les paramètres de l'équipement d'atomisation comprennent la structure de la buse, la structure du cathéter, la position de ce dernier, etc. Les paramètres du gaz d'atomisation incluent les propriétés ultrasoniques, la pression d'entrée d'air, la vitesse de l'air, etc. Quant aux paramètres de l'écoulement du métal liquide, ils incluent ses propriétés, la surchauffe, le diamètre du flux, etc. L'atomisation ultrasonique permet d'ajuster la taille des particules, leur distribution granulométrique et la microstructure de la poudre en modulant et en combinant différents paramètres.

1.2 Équipement de pulvérisation par atomisation d'air sous vide

Les équipements de pulvérisation par atomisation sous vide actuels se composent principalement d'équipements étrangers et nationaux. Les équipements fabriqués à l'étranger offrent une grande stabilité et une précision de contrôle élevée, mais leur coût est élevé, de même que les frais de maintenance et de réparation. Les équipements nationaux, quant à eux, sont moins chers, leur maintenance est simple et rapide. Cependant, les fabricants nationaux ne maîtrisent généralement pas les technologies clés, telles que les buses et les procédés d'atomisation. À l'heure actuelle, les instituts de recherche et les entreprises de production étrangers concernés gardent ces technologies strictement confidentielles, et les paramètres de procédé spécifiques et industrialisés ne sont pas disponibles dans la littérature ni les brevets. De ce fait, le rendement en poudre de haute qualité est trop faible pour être rentable, ce qui explique en grande partie pourquoi mon pays n'a pas encore réussi à produire industriellement de poudre de haute qualité, malgré la présence de nombreuses unités de production et de recherche scientifique spécialisées dans les poudres aérosols.

La structure du dispositif de pulvérisation par atomisation ultrasonique se compose des parties suivantes : four de fusion à induction à fréquence intermédiaire, four de maintien, système d'atomisation, réservoir d'atomisation, système de dépoussiérage, système d'alimentation ultrasonique, système de refroidissement par eau, système de contrôle, etc.

Actuellement, les recherches sur l'aérosolisation se concentrent principalement sur deux aspects. D'une part, elles portent sur l'étude des paramètres de la structure de la buse et des caractéristiques du jet. L'objectif est d'établir la relation entre le champ d'écoulement de l'air et la structure de la buse, afin que les ultrasons atteignent la vitesse de sortie tout en maintenant un faible débit. Ceci fournit une base théorique pour la conception et la fabrication des buses. D'autre part, elles étudient la relation entre les paramètres du processus d'atomisation et les propriétés des poudres. Il s'agit d'analyser l'influence de ces paramètres sur les propriétés des poudres et l'efficacité de l'atomisation, pour chaque buse, afin d'optimiser et d'orienter la production de poudres. En résumé, l'amélioration de la productivité des poudres fines et la réduction de la consommation de gaz constituent les axes de développement de la technologie d'atomisation ultrasonique.

1.2.1 Différents types de buses pour l'atomisation ultrasonique

Le gaz d'atomisation augmente la vitesse et l'énergie à travers la buse, pulvérisant ainsi efficacement le métal liquide et produisant une poudre conforme aux exigences. La buse contrôle le débit et la configuration du flux du milieu atomisé et joue un rôle crucial dans l'efficacité et la stabilité de l'atomisation ; elle constitue la technologie clé de l'atomisation ultrasonique. Dans les premiers procédés d'atomisation par gaz, on utilisait généralement une buse à chute libre. De conception simple, peu sujette au colmatage et relativement facile à contrôler, cette buse présentait toutefois une faible efficacité d'atomisation et ne convenait qu'à la production de poudres d'une granulométrie de 50 à 300 µm. Afin d'améliorer l'efficacité d'atomisation, des buses à flux restreint ou à couplage étroit ont été développées ultérieurement. Ces buses raccourcissent le trajet du gaz et réduisent les pertes d'énergie cinétique lors de son passage, augmentant ainsi la vitesse et la densité du flux gazeux interagissant avec le métal et, par conséquent, le rendement en poudre fine.

1.2.1.1 Buse à fente circonférentielle

Les ultrasons à haute pression pénètrent tangentiellement dans la buse. Ils sont ensuite éjectés à grande vitesse pour former un vortex.