Estudio de la deformación en impacto en el proceso de Cold Spray

Abstract

Cold Spray es un proceso de manufactura aditiva en estado sólido, consistente en la deposición de material particulado en un substrato a altas velocidades. La gran ventaja de este proceso con respecto a otros procesos de Thermal Spray es que requiere de temperaturas de deposición bajo el punto de fusión, evitando problemas de difusión de gases y cambios microestructurales que limiten el rango de utilización de este proceso, además de disminuir la cantidad de calor necesario para realizar la adhesión. El objetivo principal de este trabajo de título fue estudiar la deformación por impacto de partículas de níquel y titanio en el proceso de Cold Spray a través de simulaciones numéricas. Los objetivos específicos fueron establecer una relación entre velocidad de impacto, temperatura y ángulo de impacto, con la adhesión de partículas con un substrato; analizar el impacto de las partículas con substratos de un mismo o diferente material; y determinar variables que permitan una deposición efectiva. Se realizaron simulaciones de impacto de una partícula esférica de 20 [µm] y un substrato, utilizando níquel y titanio. Se usaron como variables, las propiedades de los materiales, la temperatura, velocidad y ángulo antes del impacto, para obtener los esfuerzos, deformación y temperatura durante el impacto. Como recurso para realizar este trabajo de título, se trabajó con el software Abaqus/Explicit, con su módulo de análisis Abaqus/Explicit con un mallado Arbitrary Lagrangian Eulerian, para evitar la deformación excesiva. En total, se realizaron 40 simulaciones de impacto, analizados con 2 métodos distintos; el primero investigó la presencia de ASI (Adiabatic Shear Instability), no implicando la adhesión de la partícula con el substrato. El otro método logró obtener diferencias visibles a distintas velocidades (alrededor de los 500 y 600 [m/s] en los casos de níquel sobre níquel y titanio sobre titanio, y entre 600 y 700 [m/s] en los casos de níquel sobre titanio y titanio sobre níquel). A distintas temperaturas, aumentó la energía de adhesión a mayores temperaturas, y a distintos ángulos de impacto (disminuyendo la adhesión con un mayor ángulo de impacto). Si bien, las velocidades críticas logradas para níquel y titanio resultaron menores que las estimadas por la literatura [15] [28] [29], los resultados de la literatura estudiaron la presencia de ASI, lo cual no implica adhesión. Por lo tanto, existe la posibilidad de que los resultados obtenidos en este trabajo de título sean ciertos, sólo necesitarían demostración experimental para confirmar las velocidades críticas.