During the spray forming process, a continuous molten metal stream is atomized by impinging high speed inert gas jets. In the generated spray cone, the resulting metal droplets are rapidly cooled by the huge temperature difference to the surrounding gas phase and thereby partly solidify. After a certain flight and residence time inside the spray cone, the droplets impinge on the substrate and form the product (deposit). The material properties of this product depend on several process parameters and especially on the thermal state of the deposited droplets at impingement. Smaller droplets cool very fast and may impinge onto the product in a completely solidified state as solid metal powder particles. Larger droplets contain a higher amount of thermal energy and impact during the state of phase change or even still completely liquid. Therefore, describing the thermal history of metal droplets during flight in the spray cone is of great importance. In this contribution, a mathematical model is introduced to describe the cooling and solidification of individual metal droplets in the spray cone during the droplet-gas interaction in flight. By introducing this model into a standard two phase flow simulation model for the spray cone description, it is possible to calculate the transient droplet temperature and solid fraction contents of individual particles depending on overall process parameters and flight path.
Un modele mathematique pour le Refroidissement et la solidification rapide de gouttelettes de metal en fusion. Pendant le procede de mise en forme par pulverisation, un flux continu de metal fondu est atomise par des jets de gaz qui le traversent. Dans le cone de pulverisation ainsi genere, les gouttelettes de metal qui en resultent sont rapidement refroidies par l'importante difference de temperature avec le gaz environnant. Elles sont partiellement solidifiees apres un certain temps de vol a l'interieur du cone de pulverisation, puis s'ecrasent sur le substrat et y forment le produit (depot). Les proprietes du materiau obtenu dependent de plusieurs des parametres du procedes et specialement de l'etat thermique des gouttelettes deposees lors de l'impact. De petites gouttelettes refroidissent tres vite et peuvent s'ecraser sur le produit dans un etat completement solidifie; comme le font les particules en metallurgie des poudres. De plus grosses gouttelettes contiennent une quantite plus importante d'energie thermique et s'ecrasent pendant le changement de phase liquide-solide, voire meme completement liquide. Pour ces raisons, l'historique thermique des gouttelettes de metal pendant leur vol dans le cone de pulverisation est de grande importance. Dans cette contribution, un modele mathematique est introduit pour decrire le refroidissement et la solidification de gouttelettes individuelles de metal dans le cone de pulverisation pendant l'interaction gouttelette-gaz. Complant ce modele a un modele de simulation standard a deux ecoulement de phases pour le cone de solidification, il est possible de calculer la temperature de transition des gouttelettes et la fraction solide de gouttelettes individuelles, chacun d'eux dependant essentiellement des parametres du procede et de la trajectoire de vol.