Abstract
Powder metals are the basis of powder metallurgy with a large variety of applications, including sintering and thermal spray coatings. The Gas atomization process has been widely employed as an effective method to produce fine spherical metal powders. New applications and emerging surface technologies demand high quality powders with a very narrow particle size distribution. A computational fluid dynamics (CFD) approach is developed to examine complex fluids during atomization from different nozzle designs, using the volume of fluid (VOF) method and the Reynolds Stress Model (RSM). The modeling results show that the swirling gas atomizer is not beneficial to the atomization process while the inner-jet atomizer can improve the powder generation processing
چکیده
فلزات پودری اساس متالورژی پودری با انواع کاربردها هستند از جمله زینتر کردن و لایه نشانی اسپری حرارتی. فرآیند اتمیزاسیون گازی کاربرد گسترده ای را به عنوان یک روش موثر برای تولید پودرهای فلزی کروی ریز داشته است. کاربردهای جدید و تکنولوژی های جدید سطح نیازمند پودرهای با کیفیت بالا با توزیع اندازه ذره بسیار باریک است. یک رویکرد دینامیک سیال محاسباتی (CDF) ایجاد می شود تا به بررسی سیالات پیچیده در طی اتمیزاسیون از طرح های مختلف نازل بپردازد و در این رویکرد از روش حجم سیال (VOF) و مدل تنش رینولدز (RSM) استفاده می شود. نتایج مدل سازی نشان می دهند که پودر کننده ی گازی دوار برای فرآیند اتمیزاسیون مناسب نیست در حالی که پودر کننده ی جت داخلی می توانند فرآیند تولید پودر را بهبود بخشد.
-1مقدمه
فلزات پودری اساس متالورژی پودری با انواع مختلف کاربردها هستند از جمله زینتر کردن و لایه نشانی های اسپری حرارتی. کاربردهای جدید و تکنولوژی های سطحی در حال پیدایش به پودرهای با کیفیت بالا و توزیع اندازه ذره بسیار باریک نیاز دارند. دو مثال خوب شامل سلول خورشیدی حساس به رنگ (Gr¨ atzel, 2003) و پروتزهای زیست فعال با اجزای آنتی باکتریال (Bai et al., 2010) هستند. شکل پودری نیز اغلب یک پیش نیاز است که می تواند کروی، دانه ای، تو خالی یا بی قاعده باشد. علی رغم پیشرفت سریع تکنولوژی سطح در طی دهه گذشته ، روش های تولید پودرهای فلزی چندان تغییر نکرده اند و به سه گروه اصلی تقسیم می شوند: شیمیایی، مکانیکی و فیزیکی.
هدف از این تحقیق، اتمیزاسیون فیزیکی یک ماده مذاب مایع به وسیله یک جت گازی پرسرعت است. فرآیند اتمیزاسیون مذاب – گاز کاربرد گسترده ای را بعنوان یک روش موثر برای تولید پودرهای فلزی به شکل کره های ریز دارد (Berndt and Lenling, 2004).. اصل اتمیزاسیون گاز با فشار بالا، انتقال انرژی جنبشی از یک جت گازی پر سرعت به یک نهر فلز مایع است. در مقابل، نهر فلز مایع ناپایدار می شود و به لیگامنت هایی تقسیم می شود که متوالیا اتمیزه می شوند (Lawley, 1978).. سپس ذرات تولید شده در این فرآیند دستخوش انجماد شده و به صورت پودر فلز جمع آوری می شوند. رایج ترین فرآیندهای به کار گرفته شده در کارهای صنعتی برای تولید پودرهای فلزی، اتمیزاسیون سقوط آزاد و جفت – نزدیک هستند. تفاوت بین این دو فناوری، محل اندرکنش ماده مذاب – گاز است. شکل 1 بر مشخصات اصلی این دو سیستم را بیان می کند و نشان می دهد که در اتمیزاسیون جفت-نزدیک، خروجی گاز به لوله رساننده ماده مذاب محدود می شود، در حالی که در اتمیزاسیون سقوط آزاد، فاصله متغیری از 10 cm تا 30 cm بین خروجی لوله تغذیه کننده با ماده مذاب و خروجی گاز حفظ می شود. این فاصله به ماده مذاب امکان می دهد تا در هوای ساکن به سمت پایین جریان شارش یابد پیش از آنکه گاز با سرعت بالا با ماده مذاب اندرکنش داشته باشد. اتمیزاسیون جفت – نزدیک علی رغم ایرادات مربوط به جریان برگشتی و انجماد که معمولا در طی اتمیزاسیون سقوط آزاد رخ نمی دهد، قادر به تولید پودرهای ریزتری است. این تحقیق روی فناوری اتمیزاسیون جفت – نزدیک تمرکز می کند که به دلیل فراوانی تقاضای پودرهای ریز با کیفیت بالا از سوی صنعت است. طراحی نازل گاز بسیار مهم است تا به یک انرژی گاز دست یابیم که برای ناپایدار کردن ماده مذاب، به اندازه کافی بالا باشد. تا کنون، دو نازل گازی مختلف کاربرد گسترده ای را برای اتمیزاسیون جفت – نزدیک داشته اند، یعنی نازل جت گسسته و نازل شکاف حلقوی. نازل شکاف حلقوی یک شکاف دایره ای شکل است که در اطراف لوله تغذیه کننده با مذاب را گرفته است در حالی که نازل جت گسسته از چند حفره جدا از هم تشکیل شده است. نازل های شکاف حلقوی به دلیل عملکرد برترشان نسبت به نازل های جت گسست، در صنعت پرکاربردتر هستند و از این رو بعنوان پایه ای برای این تحقیق به کار برده می شوند…