Gas atomization is a cost-effective processing method to produce fine, spheroidized metal powders. During the process, high velocity jets of gas are sprayed at a molten metal stream to break it into small droplets, which will solidify and form the powder particles. Gas atomized powders usually have a wide size range (1-300 μm), and the range can be up to 500 μm for free-fall gas atomization. Close-coupled gas atomization produces a higher percentage of fine particles and is more attractive to manufacturing applications (-45 μm for MIM, 20-45 μm for SLM, 45-106 μm for EBM). However, compared to the close- coupled process, free-fall type suffers less from the problem that the splashing melt can solidify on gas nozzles. It is believed that by improving the nozzle configuration and arrangement design, the yield and powder particle fineness can be improved. Gas nozzle design is one of the key factors to control gas properties and thus the powder characteristics. Visualization techniques (shadowgraphy and Schlieren imaging) and computational fluid dynamics (CFD) were used to investigate the gas flow from the free- fall atomizer. Schlieren imaging method was used to validate the CFD model, but the results did not match. Potential causes of the discrepancy that affect the CFD model include problems with discretization, input data, boundary conditions and the selection of, and parameters in the turbulence model. A qualitative parametric study was performed using this CFD model to test different designs and study the effect of gas nozzle diameter, angle, distance between melt and gas nozzles. The results showed that a smaller diameter (e.g. decreasing from1.7 mm to 1.0 mm) resulted in the recirculation intensity(maximum pressure) decreasing from 2.4 bar to 1.9 bar and the gas velocity hitting axis of the melt nozzle increasing from 301m s-1 to 426 m s-1; a smaller angle (e.g. decreasing from 30º to 10º) resulted in a decrease in both recirculation intensity (from 3.5 bar to 2.4 bar) and gas velocity hitting the axis (from 390m s-1to 301 m s-1); a smaller distance between melt and gas nozzles (e.g. reducing 30mm to 13 mm) resulted in an increase in both recirculation intensity (from 1.9 bar to 2.4 bar) and gas velocity hitting the axis (from 254m s-1to 301 m s-1). In addition, a smaller diameter or shorter distance made the flow decay earlier. For example, thetransition point between shock units and turbulence occurred 0.301 m downstream of the melt nozzle when the gas nozzle diameter was 1.7 mm, but after 0.182 m when the diameter was reduced to 1.0 mm. It was estimated that a smaller diameter combined with larger angle and distance (e.g. ∅1.7mm, 30º, 30mm in this study) will improve gas flow in gas atomization. It was estimated that a smaller gas nozzle diameter combined with a larger angle and distance between the gas nozzles (e.g. ∅1.7mm, 30º, 30mm in this study) will improve gas flow in gas atomization. This combination brought a less intense recirculation zone and relatively high energy in the gas to break the melt in a relatively long flow region. / Gasatomisering är en kostnadseffektiv metod för att tillverka fint, sfäriskt metallpulver. Processen går till så att gas med väldigt hög hastighet sprayas mot en stråle med smält metall. Metallstrålen bryts upp i små, små droppar som stelnar och bildar pulverpartiklar. Gasatomiserat pulver har normalt en stor storleksfördelning (1-330 μm), och spannet kan gå upp till 500 μm för free-fall gasatomisering. Close-coupled gasatomisering ger en högre andel fina partiklar och är mer intressant för olika applikationer ( -45 μm till MIM, 20 -45 μm till SLM och 45-106 μm för EBM). Jämfört med close-coupled processen har free-fall mindre problem med att smälta skvätter upp och stelnar på gasmunstycket. Det anses vara så att genom att kombinera olika parametrar och optimera munstyckesdesignen så kan utbytet och finheten på pulverpartiklarna förbättras. Designen på gasmunstycket är en av nyckelfaktorerna för att kontrollera egenskaperna på gasen och därmed egenskaperna på pulvret. Olika tekniker för att visualisera ( Shadograph och Schlieren imaging) användes tillsammans med computational fluid dynamics (CFD) för att undersöka gasflödet från free-fall munstycket. Schlieren imaging användes för att validera CFD-modellen men resultaten matchade inte varandra. Troliga källor till avvikelserna kan vara problem med diskretisering, indata, randvillkor och turbulensmodellen. En kvalitativ parameterstudie gjordes genom att använda CFD –modellen och testa olika design och effekter av gasmunstyckes diameter, vinkel samt avstånd mellan smälta och gasnozzel. Resultatet visade att en mindre diameter (en minskning från 1,7 mm till 1,0 mm) resulterade i att intensiteten på gasen i recirkulationszonen (maximala trycket) minskade från 2,4 bar till 1,9 bar och att hastigheten på gasen som träffade metallnozzelns axel ökade från 301 m/s till 426 m/s. En mindre vinkel ( en minskning från 30° till 10°) resulterade i en minskning i både intensitet på recirkulationen ( från 3,5 bar till 2,4 bar) och gashastighet när den träffar axeln ( från 390 m/s till 301 m/s), ett mindre avstånd mellan smält- och gasmunstycke ( en minskning från 30 mm till 13 mm) resulterade i en ökning i både intensitet på recirkulationen ( från 1,9 bar till 2,4 bar) och gashastigheten när den träffar axeln (från 254 m/s till 301 m/s). Dessutom gav en mindre diameter eller kortare avstånd att flödet avtog tidigare. Till exempel, omvandlingspunkten mellan shockvågor och turbulens minskades från 0,301 m till 0,182 m när diametern minskades från 1,7 mm till 1,0mm. Utfallet bedöms som att en mindre diameter kombinerat med en större vinkel och längre avstånd (diameter 1,7 mm, 30 grader, 30 mm i denna undersökning) kommer att förbättra gasflödet vid gasatomisering. Jämfört med andra designer så hade denna mindre intensiv recirkulationszon, relativt mycket energi för att bryta upp smältan och ganska långt flödesområde.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-304911 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Qiu, Zhiwei |
| Publisher | KTH, Materialvetenskap |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ITM-EX ; 2021:599 |
Page generated in 0.0027 seconds