Modélisation mathématique d'un système de projection thermique à la flamme de type H. V. O. F. : application à l'élaboration de revêtements protecteurs
Institution:
Belfort-MontbéliardDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
A study of HVOF thermal spraying processes has been carried out in two parts : mathematical modeling and applications to coatings elaboration. The established models allox to estimate the combustion properties, the gas flow characteristics and the in-flight particle behaviors. The combustion process was modeled on the basis of equilibrium chemistry to determine thec chemical composition of combustion products, the adibatic flame temperature, the thermodynamic and transport properties and the detonation proerties. Internal flow in the gun nozzle was modeled using the Euler equations for an quasi-one-dimensional model and the full Navier-Stokes equations for a two-dimensional model; external flow wwas modeled using the boundary-layer equations. These flow models were studied with frozen and equilibrium approaches. The particle model was built using the Lagrangian formulation with a moving grid system which allows to treat melting and solidification problems in a particle. For the application part, a new HVOF process in which natural gas is used as fuel gas was studied. The simulation and experimental results showed that this new process improves the operation reliability of HVOF systems, the coating quality and the safety. A new X-HVOF torch of a chamber-stabilized combustion type was also studied with respect to the simulation and application aspects. The oxidation behavior of MCrA1Y coatings during the coating process was investigated in correlation to combustion characteristics; it was thus revealed that the coating oxidation depends slightly on the oxygen content of the combustion products btu strongly on the flame temperature. The overall results obtained in this study showed that it was possible to obtain a reasonable prediction of gas and particle characteristics using the proposed models.
Abstract FR:
L'étude d'un procédé de projection thermique de type HVOF a été entreprise par modélisation mathématique puis appliquée à l'élaboration de revêtements. Les modèles établis permettent d'estimer les caractéristiques de la combustion, de l'écoulement des gaz et du comportement des particules. La combustion a été modélisée sur la base de l'équilibre chimique pour déterminer la composition chimique des produits, la température adiabatique de la flamme, les propriétés thermodynamiques et de transport ainsi que les propriétés de détonation. L'écoulement dans la buse a été modélisé en utilisant les équations d'Euler pour un modèle quasi-monodimensionnel et celles de Navier-Stokes complètes pour un modèle bidimensionnel ; l'écoulement externe a été modélisé en utilisant les équations de couche limite. Les modèles de l'écoulement ont été étudiés selon deux approches 'systèmes figé" et "système équilibré". La modélisation du comportement des particules a été effectuée en utilisant une formulation Lagrangienne avec un maillage mobile permettant de traiter le problème de la fusion et de la solidification d'une particule. Pour la partie applications, un nouveau procédé HVOF dans lequel le gaz naturel est utilisé comme combustible a été étudié. Les résultats de la simulation et des essais expérimentaux ont montré que ce nouveau procédé améliore la fiabilité d'opération du système VHOF, la qualité des revêtements et la sécurité d'utilisation. Une nouvelle torche X-HVOF à flamme stabilisée dans la chambre de combustion a été également étudiée au niveau de la simulation et des applications. Le comportement en projection de dépôts MCrA1Y a été examiné en particulier du point de vue de leur oxydation en corrélation avec les caractéristiques de combustion. Il est démontré que le taux d'oxydation ne dépend que légèrement de la teneur en oxygène des produits de combustion mais fortement de la température de flamme. L'ensemble des résultats obtenus dans cette étude a montré qu'une prédiction raisonnable des phénomènes était atteinte en utilisant les modèles élaborés.