Simulación computacional y medición experimental de dureza de un recubrimiento de aluminio producido por cold spray

Abstract

Cold spray es una técnica de deposición de material en donde partículas impactan a altas velocidades sobre un sustrato con el objetivo de generar un recubrimiento para refuerzo o reparación de superficies, para aplicaciones en la industria aeroespacial principalmente. Dada la escala nanotemporal del proceso, existe una gran dificultad para medir experimentalmente las deformaciones y temperaturas alcanzadas durante el impacto, por lo que se hace necesario apoyar los estudios experimentales con simulaciones numéricas. En este trabajo se estudia la micro dureza Vickers de un recubrimiento de aluminio 1100 sobre un sustrato de aluminio 6061-T6. El objetivo del trabajo es determinar la capacidad del modelo computacional para predecir la dureza del material recubierto mediante cold spray. Por una parte, el estudio se lleva a cabo mediante mediciones experimentales de microdureza Vickers con 0.05, 0.1 y 0.2 kgf de carga de indentación. Por otra parte, se utiliza el programa ABAQUS para realizar simulaciones con elementos finitos con el método explícito y el enfoque Lagrangiano para el impacto de múltiples partículas. De las simulaciones, se obtiene la deformación de las partículas y se determina su influencia en el endurecimiento por deformación plástica del material a través del modelo de plasticidad de Johnson-Cook. Con este modelo se calcula el esfuerzo de fluencia por endurecimiento y se relaciona dicho esfuerzo con la dureza del material mediante relaciones empíricas. En las simulaciones, el tamaño de partícula utilizado es de 25 m y la velocidad de impacto es de 600 m/s, ambos datos obtenidos a partir de mediciones en el proceso de formación del recubrimiento. Los resultados de las simulaciones son comparados con las mediciones experimentales y se observan grandes diferencias entre la dureza simulada y la dureza medida, con errores entre 28.6% y 66.2%. A pesar de ello, se comprueba que hay endurecimiento en el recubrimiento debido al impacto de las partículas, tal como se ve en la práctica de esta técnica. Se discute como causa de estas diferencias la configuración espacial de las partículas en el impacto y un posible ablandamiento térmico del recubrimiento luego de su formación experimental.