Simulación numérica de impacto y adhesión de partículas esféricas

Abstract

Uno de los tipos de manufactura que se ha hecho popular recientemente es la manufactura aditiva, debido a su gran rapidez para obtener resultados. La proyección térmica es uno de los procesos más utilizados de manufactura aditiva, y consiste en la proyección de pequeñas partículas a altas velocidades hacia una superficie, logrando su adhesión. Existen distintos tipos de proyección térmica, dependiendo de las temperaturas y velocidades de impacto utilizadas, y se suelen utilizar principalmente para elaborar recubrimientos.

Cold Spray es un proceso de proyección térmica en el que las partículas son proyectadas a altas velocidades y a temperaturas menores que la temperatura de fusión de los materiales, por lo que impactan el sustrato en estado sólido antes de adherirse. Actualmente, los mecanismos de adhesión de las partículas en Cold Spray no se comprenden completamente, y su estudio es complicado debido al pequeño tamaño de las partículas involucradas.

La presente memoria consiste en el desarrollo de un modelo computacional que permita estudiar las deformaciones experimentadas por partículas y sustratos de diversos materiales a distintas velocidades de impacto a macro escala, con el objetivo de analizar la deformación resultante y sacar conclusiones sobre los mecanismos de adhesión presentes en la micro escala, y realizar posteriores comparaciones con resultados experimentales.

En primer lugar, se desarrolla un modelo para validación de resultados basándose en una publicación de carácter similar, para posteriormente desarrollar un modelo para evaluar el impacto de partículas esféricas. En particular, se evalúa el estiramiento superficial de partículas y sustratos, utilizando seis materiales distintos como partículas sobre un sustrato duro y un sustrato blando: Aluminio Al-1100-H12, Cobre, Nickel 200, Inconel 718, Ti-6Al-4V y Acero 316.

En los resultados se encontró que para todos los casos existen velocidades de impacto a partir de las cuales hay un incremento importante en el estiramiento superficial de la partícula y/o el sustrato, lo que se asocia a inestabilidades de corte adiabático generadas por las altas tasas de deformación alcanzadas durante los impactos. Adicionalmente, se observa entrelazamiento mecánico en algunos de los casos. Se identificó que se requiere un estiramiento superficial de 150-300\% en la partícula y/o sustrato para remover las capas superficiales de óxido y lograr la adhesión.

La excesiva deformación de elementos fue un problema en algunos casos. Esto podría solucionarse utilizando una malla de elementos más fina y modelando daño material para eliminar elementos excesivamente deformados.