Evaluación numérica, construcción y verificación experimental de Tobera de Laval para Cold Spray

Abstract

Dentro de la búsqueda de nuevos procesos de manufactura, el proceso de Cold Spray toma un peculiar interés. Este corresponde a un proceso de aspersión térmica, en el cual partículas metálicas son proyectadas en un flujo supersónico, las cuales, al contacto con un sustrato, se adhieren a este mediante deformación plástica creando un recubrimiento sobre la pieza. En los últimos años se ha estudiado este proceso como un potencial método de manufactura aditiva, principalmente debido a que dentro de las ventajas del proceso se tiene que, al impactar las partículas con temperatura por debajo de su punto de fusión lo cual radica en menor oxidación y mejores propiedades mecánicas. Uno de los principales desafíos consiste en entregar la correcta velocidad al flujo, la cual está en gran parte determinada por el diseño de la tobera del sistema de Cold Spray, por lo cual en el presente trabajo de título se realiza un estudio respecto a este componente utilizando nitrógeno como gas de trabajo. Específicamente se seleccionarán tres geometrías a estudiar, sobre las cuales se realizarán simulaciones CFD con cambio de condiciones de entrada del gas, de manera de determinar la configuración en la cual se obtengan los mejores parámetros operativos. Las medidas de interés corresponden al tamaño de garganta, tamaño de salida y largo zona divergente con la cual quedara determinada la geometría de la tobera. De los resultados se obtiene que una geometría con garganta de 1,5 [mm], 4 [mm] de salida y una zona divergente de 150 [mm] se obtienen los mejores resultados dentro de las geometrías trabajadas, logrando una velocidad de gas promedio a la salida de 695 [m/s] con un valor máximo de 812,4 [m/s]. Posterior a esto se realizará la construcción de esta tobera, utilizando bronce latón como material para su construcción, mediante el uso de dos placas de idénticas dimensiones, sobre las cuales la tobera será mecanizada mediante electroerosión, culminando con la unión de ambas placas mediante pines de alineación y pernos de anclaje. Se realizará una validación experimental de los resultados, para ello en primer lugar, se ejecutará una simulación CFD de los efectos que sufre el gas a la salida de la tobera en contacto con el medio ambiente, en la cual se identificaran diamantes de choque generados, de manera específica, se identificaran los tres primeros nodos de choques generados. De esta simulación se rescatarán las dimensiones de estos nodos respecto a la variación de densidad que sufre el flujo, debido a que este es el único parámetro medible mediante inspección visual, con lo cual se determinan las dimensiones que definen a las ondas de choque. Por último, se analizará el flujo a la salida mediante inspección visual, utilizando un sistema de Schlieren Óptics como herramienta de visualización, en el cual se verá el flujo a la salida y se medirán de manera experimental las dimensiones de los nodos, validando los resultados.