Simulación numérica de la dureza de recubrimiento de cobre producido por Cold Spray

Abstract

Cold Spray es una técnica de deposición de material cuyo fin es obtener un recubrimiento. Para ello se utilizan micropartículas que son aceleradas por un gas supersónico comprimido. Cuando las partículas impactan sobre el sustrato sufren deformación plástica y se adhieren a la superficie. Cabe señalar que una de las ventajas del Cold Spray es el bajo contenido de óxido en el recubrimiento final, esto debido a que las partículas, ni el sustrato no se ven expuestas a altas temperaturas. Por otra parte, los fenómenos que ocurren durante este procedimiento son difíciles de evidenciar experimentalmente, debido al corto lapso de tiempo en el que se desarrollan, ocurriendo estos en la escala nano temporal. Por esta razón, poder predecir las propiedades mecánicas del material sometido a Cold Spray es una herramienta útil, lo que dio origen al objetivo general de este trabajo de título que es Evaluar la capacidad de una simulación computacional para obtener valores de dureza de un recubrimiento de cobre . A su vez los objetivos específicos se centraron en analizar el efecto de la deformación sobre la dureza del recubrimiento y comparar resultados numéricos con experimentales. La metodología computacional se basó en realizar una simulación numérica (mediante el software ABAQUS) del impacto de partículas de cobre, de 11 μm de diámetro, sobre un sustrato de cobre. Para esto, se inició con una validación de un modelo de similares características; luego se determinaron variables del proceso, para después programar el código. Esta simulación entregó resultados de las deformaciones plástica que sufren las partículas. A partir del modelo de plasticidad de Johnson-Cook se calculó el esfuerzo de fluencia del material y finalmente, mediante relaciones empíricas se calculó la dureza del recubrimiento. Al comparar los resultados de dureza numéricos con los experimentales, se obtuvieron diferencias del orden 2.5% y 7.5%. Entre las principales conclusiones se tuvo, que a mayor deformación plástica de las partículas, aumenta el esfuerzo de fluencia del recubrimiento, y por lo tanto, presenta mayor dureza, y las simulaciones numéricas entregan aproximaciones cercanas a las propiedades reales de los recubrimientos obtenidos mediante Cold Spray.