Estimation of droplet solidification temperature in rapid solidification using in-situ measurements

ABSTRACT

Copper and D2 tool steel powders were produced using a drop tube-impulse atomization technique. In order to measure the radiant energy and droplet size of atomised D2 steel droplets, DPV-2000 (Tecnar Automation Ltée, St. Hubert Quebec, Canada) was utilised. In-situ velocity and droplet size of the atomised droplets were also measured using shadowgraphy technique (Sizing Master Shadow from LaVision GmbH in Gottingen, Germany). A 3D translation stage was designed, constructed and installed inside the drop tube system. DPV-2000 and shadowgraph were then mounted on the translation stage. The Cu droplets were primarily used to calibrate to particle size and velocity measurements between both instruments. Using this stage, online measurements were conducted at 4 cm, 18 cm and 28 cm distances for D2 droplets below the crucible. Using liquid (fully undercooled) and semi-solid behaviour of droplets, it was possible to estimate the droplet size and temperature at which recalescence ends. These values were then confirmed by the thermal model using experimentally estimated primary phase undercooling values.

RÉSUMÉ

On a produit des poudres de cuivre et d’acier outil D2 en utilisant une technique d’atomisation de chute de tube à impulsion. Afin de mesurer l’énergie de rayonnement et la taille de gouttelette des gouttelettes atomisées d’acier D2, on a utilisé le DPV-2000 (Tecnar Automation Ltée, à St-Hubert, Québec, Canada). On a également mesuré la vélocité sur place et la taille de gouttelette des gouttelettes atomisées en utilisant la technique d’ombroscopie (Sizing Master Shadow de LaVision GmbH à Göttingen, en Allemagne). On a conçu, construit et installé à l’intérieur du système de chute de tube, une platine de translation 3D. On a ensuite monté le DPV-2000 et l’appareil à ombroscopie sur la platine de translation. On a premièrement utilisé les gouttelettes de Cu pour calibrer les mesures de taille de particule et de vélocité entre les deux instruments. En utilisant cette platine, on a effectué des mesures en ligne à des distances de 4 cm, 18 cm et 28 cm des gouttelettes de D2 au-dessous du creuset. En utilisant le comportement liquide (entièrement surfondu) et semi solide des gouttelettes, il était possible d’estimer la taille de gouttelette et la température à laquelle la recalescence se termine. Ces valeurs étaient ensuite confirmées par l’image thermique en utilisant les valeurs estimées expérimentalement de surfusion de la phase primaire.

KEYWORDS:

• Atomisation
• Rapid solidification
• Undercooling
• In-situ measurements
• Heat transfer

Additional information

Funding

This research was supported by Canadian Space Agency (CSA) and Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC).