Numerical simulation of the growth of the γ’-iron nitride in NH₃-H₂-N₂ gas mixture (570°C and 1 atm) (Part II)

Simulation numérique de la croissance du nitrure γ’ en mélange gazeux NH₃-H₂-N₂(570 °C et 1 atm) (Partie II)

¹ Lebanese University, Faculty of Science (Section III), Department of physics, Tripoli, Lebanon
e-mail : mrida@ul.edu.lb
² Lebanese University, Faculty of Science (Section I), IT department, Beirut, Lebanon

Received: 15 December 2009

Abstract

The aim of this study is the control of the growth of the γ’-iron nitride layer during gas nitriding. We simultaneously simulated both the gaseous and solid phases as well as the development of the γ’-iron nitride layer on the α-iron nitride layer. The theoretical atomic nitrogen flux at constant superficial concentration was used as the boundary limit at the sample’s surface. Only using the input data, we obtained, as a function of the time, the atomic nitrogen profiles in the sample and the evolution of the γ’-iron nitride layer thickness. The numerical results favorably compare with the experimental ones.

Résumé

L’amélioration du comportement des pièces, par nitruration gazeuse, dépend étroitement des paramètres de traitement dans le réacteur et de la géométrie de celui-ci. Un contrôle rigoureux du procédé passe impérativement par la maîtrise simultanée de la composition locale du mélange gazeux à la surface des pièces et du transfert d’azote atomique à l’intérieur de ces pièces. La plupart des travaux traitent le problème à partir de l’interface gaze-échantillon (équilibre thermodynamique, concentration superficielle d’azote constante,…) et seulement à l’échelle du laboratoire. Uniquement la simulation numérique totale du réacteur, en s’appuyant sur les données d’entrée, permet le contrôle des couches de nitrures. Nous avons utilisé le mélange NH₃–H₂-N₂ car il est moins dangereux d’abord et parce qu’il contient une quantité importante d’azote moléculaire. Avec ce mélange, la prise de poids de l’échantillon en azote au cours du temps est assez importante par rapport au mélange NH₃–H₂. Par conséquent, il est difficile de travailler avec un débit constant tout au long du traitement, et la bibliographie est rare avec le mélange NH₃–H₂-N₂. Dans ce contexte, nous étudierons dans ce travail la simulation numérique de notre réacteur de nitruration en régime transitoire. Dans cette partie, pour la vitesse de réaction de l’ammoniac à la surface du nitrure γ’ on a utilisé celle sur la couche de diffusion α, ceci d’après la littérature. Le flux d’azote vers l’échantillon est déterminé à partir du flux d’azote atomique théorique à concentration superficielle constante, ce qui généralise notre modèle. Nous avons simulé le développement de deux couches α et γ’ et un bon accord a été obtenu entre notre modèle et les résultats expérimentaux. Nous avons représenté l’évolution du pourcentage d’ammoniac à la surface de l’échantillon et celui à l’entrée en fonction du temps. La croissance de la couche γ’ expérimental, en fonction du temps, a été bien suivie par notre modèle numérique. Les profils d’azote avant la formation de la couche γ’ ont été présentés en fonction de la profondeur, ainsi que l’évolution de l’interface γ’/α en fonction du temps et de la profondeur. Les profils d’azote, après la formation du nitrure γ’, sont similaires aux ceux déjà présentés dans la première partie. Une très bonne corrélation a été observée entre la théorie et notre modèle en ce qui concerne l’évolution en fonction du temps de la concentration superficielle d’azote atomique en fonction du temps. Notre modèle a permis la résolution simultanée des équations de transfert dans la phase gazeuse et dans l’échantillon, en s’appuyant uniquement sur les données d’entrée du réacteur. Le modèle que nous proposons a permis aussi la modélisation du développement de deux couches α et γ’ dans l’échantillon. Alors notre modèle rend possible un contrôle rigoureux du procédé quelque soit la nature du réacteur, la complexité de la géométrie peut seulement compliquer la programmation et rendre la convergence plus longue.