Modeling and simulation of suspension plasma spraying process: a contribution to the understanding of the physical treatment of the suspension

Keywords: plasma spraying, suspension, coating for aerospace, digital twin, fluid mechanics, CFD, modeling, simulation, numerical method.

Abstract:

Suspension plasma spraying can be used to produce coatings with a variety of fine microstructures to meet the demanding requirements of emerging industrial applications, such as new-generation thermal barriers for the aerospace industry. In this process, the liquid suspension containing submicron particles of the material to be deposited is injected into a thermal plasma jet to be fragmented and evaporated, releasing individual or agglomerated submicron particles which are then accelerated and melted, impacting and spreading out on the part to be coated to form the coating. Mastering the process requires an understanding of the complex, interdependent mechanisms governing suspension processing and coating construction.
This understanding requires simulation of the process as a function of its operating parameters by a digital twin, from plasma jet generation to coating construction. The IRCER and TREFLE laboratories at I2M have joined forces to make progress on this issue, which is of great interest to Safran, the international leader in the production of coatings for aeronautical parts. This modeling work on plasma jet formation, turbulent development, suspension treatment and deposit construction gave rise to an initial project, which is continuing with support from Safran and the Nouvelle-Aquitaine region.
The aim of this PhD will be to model the behavior of submicrometer particles within an already fragmented suspension droplet, subjected to the heat flux and shear of the plasma flow, and whose carrier liquid evaporates, deforms and recirculates, taking into account diffusion and forces on/between particles, so as to predict the number of particles resulting, their size and even their shape, as one droplet could possibly lead to the birth of several aggregates

Contexte :

La projection plasma de suspension permet d’obtenir des revêtements avec des microstructures fines et variées (colonnaires, denses, …) répondant aux exigences d’applications qui émergent au niveau industriel comme par exemple, des barrières thermiques de nouvelle génération pour l’aéronautique ou des électrolytes solides de piles à combustibles.
Dans ce procédé, la suspension liquide contenant les particules submicroniques du matériau à déposer est injectée dans un jet de plasma thermique pour être fragmentée et évaporée, libérant les particules submicroniques individuelles ou agglomérées qui sont alors accélérées et fondues et vont impacter et s’étaler sur la pièce à revêtir pour former un dépôt. Sa microstructure, et donc ses propriétés d’usage, dépendent d’un grand nombre de paramètres opératoires relatifs à la torche plasma, à la suspension, au substrat et à la cinématique torche-substrat. Aussi, la complexité de ce procédé impose-t-elle de nombreux tests pour réaliser un revêtement à propriétés contrôlées sur une pièce de forme complexe, ce qui freine son adoption par les industriels. La maitrise du procédé nécessite la compréhension des mécanismes complexes et interdépendants qui régissent le traitement de la suspension et la construction du revêtement. Cette compréhension passe par la simulation du procédé par un jumeau numérique incluant la génération du jet de plasma par une approche MagnétoHydoDynamique (MHD) (1), le développement turbulent du jet avec l’injection et la fragmentation hydrodynamique de la suspension (2), le traitement des gouttes de suspension par le plasma (3), l’impact des particules fondues sur le substrat et la construction du dépôt (4) en fonction de ses paramètres opératoires.

L’étude proposée s’inscrit dans le projet Azurite cofinancé par la région, l’IRCER et Safran. Ce projet de jumeau numérique est porté par l’IRCER, l’Institut de Mécanique et d’Ingénierie (I2M) de Bordeaux, la société Safran (2ème équipementier aéronautique, leader pour la réalisation de dépôts sur pièces aéronautique). Cette étude consiste à poursuivre les travaux de modélisation débutés dans le cadre d’un précédent projet et qui a permis de poser les bases des modèles (1 à 4) et de développer en particulier le modèle n°3.

Objectifs :

Le travail de thèse proposé vise à comprendre et modéliser le traitement thermique et physique d’une goutte de suspension de différentes tailles entièrement fragmentée par l’écoulement plasma (modèle 3) pour déterminer le nombre et la taille ou distribution en tailles des agglomérats et leur traitement thermique sous différentes conditions de cisaillement et d’enthalpie spécifique du plasma. Le modèle correspondant devra donc prendre en compte les phénomènes contrôlant le comportement des particules submicroniques au sein de la goutte et devra, à termes, être intégré au modèle 2 pour prévoir les paramètres des particules à l’impact pour un grand nombre de gouttes subissant des conditions plasma différentes et permettant d’alimenter le modèle de formation du revêtement (4) de façon prédictive.
Méthodologie/travail proposé : Par une analyse dimensionnelle, A. Chergui, doctorant à l’IRCER, a sélectionné les principaux phénomènes contrôlant le comportement des particules submicroniques au sein de la goutte et leur enchaînement : fragmentation hydrodynamique, recirculation interne du liquide, évaporation intense … , puis diffusion des particules submicroniques (phénomène le plus lent). Son travail actuel consiste à modéliser et implémenter progressivement ces différents phénomènes au sein d’une gouttelette entièrement fragmentée représentée par un domaine 2D axisymétrique déformable dans le code de CFD Ansys_Fluent (ou code maison) sous différentes conditions de plasma réalistes fournies par le modèle 2. Le travail de thèse proposé consiste :

1. à poursuivre ces travaux de modélisation de A. Chergui et d’implémentation en prenant par exemple en compte les forces d’attraction/répulsion inter particulaires qui devraient permettre de prédire l’agglomération sélective des particules menant éventuellement à plusieurs agglomérats distincts, la possible formation d’une coque viscoélastique et sa déformation du fait des forces en présence, et finalement la forme, le nombre et la taille des agglomérats et leur état. Une comparaison en taille et forme avec des prélèvements de matériau en différents points du jet de plasma sera faite à chaque enrichissement du modèle. Des développements 3D sont également à prévoir en plus des modèles 2D axisymétriques
2. à implémenter le modèle précédent sous la forme d’une fonction utilisateur représentant les phénomènes les plus significatifs et donc rapide d’exécution dans le code relatif à l’écoulement plasma (modèle 2). Ceci permettra de modéliser un grand nombre de gouttes de parcours et traitements différents au sein du plasma et de fournir les paramètres à l’impact des particules sur le substrat pour alimenter le sous-système 4 à partir des paramètres opératoires torches et suspensions. Les vitesses d’impacts simulées seront validées par des mesures de PIV.
3. à interagir avec les doctorants responsables des modèles 2 et 4

Conditions de déroulement de la thèse/Collaborations :

Cette thèse co-encadrée par l’IRCER et l’I2M, se déroulera en grande partie à l’IRCER et en étroite collaboration i) avec les chercheurs de l’IRCER qui travaillent sur l’observation expérimentale du traitement des suspensions dans le jet de plasma et ii) les personnes de SAFRAN qui industrialisent le procédé de projection plasma de suspension et iii) les doctorants et post doc du projet Azurite. Le département TREFLE de l’I2M apportera son expertise en termes de modélisation des phénomènes physiques et leurs aspects numériques et veillera à l’adéquation des résultats avec le modèle de construction du dépôt qu’il développe.
Conditions matérielles :

Station de calcul
Accès à des bases de données bibliographiques
Accès à des formations spécifiques sur des outils de modélisation/ /programmation/ méthodes numériques

Salaire : Net mensuel : 1 768 €, origine : 50% IRCER, 50% AAP recherche Région NA 2025 Azurite

Candidate profile: CFD, mathematical engineering, modelling engineering

Knowledge and initial experience essential in modelling, numerical methods, programming and physics, good physical sense, ability to communicate with partners.

Activities/Skills of the doctoral student

• Developing and implementing numerical models ( representing the physics governing suspension drop/plasma interactions: two-phase Eulerian approach (gas/liquid), Lagrangian approach (behaviour of particles suspended in the drop),
• Knowledge of two-phase approaches
• Implement numerical schemes adapted to these models.
• Interact with laboratory researchers to validate the model and with PhD students in stages 2 and 4.

To apply: https://adum.fr/as/ed/proposition.pl