Modelamiento fluido - dinámico del impacto de partículas en una tobera de Cold Spray

Abstract

Cold Spray corresponde a un proceso de manufactura aditiva, donde se busca acelerar un flujo de partículas dentro de una tobera de convergente divergente alcanzando velocidades supersónicas, siendo proyectadas hacia una superficie de trabajo o sustrato, consiguiendo que las partículas se adhieran a la superficie formando un recubrimiento. En Cold Spray se busca tener control en la generación del recubrimiento sobre la superficie de trabajo, tanto en su espesor como en su forma, lo cual permite obtener recubrimientos de mejor calidad dependiendo de los requerimientos necesarios para cada tipo de aplicación, incrementando la precisión de la pulverización. Siendo esta la motivación de este trabajo, el cual tiene como objetivo estudiar cómo el recubrimiento sobre el sustrato determina la adherencia de las partículas al momento del impacto, concentrándose tanto en el comportamiento del flujo de gas como en el espesor y la forma del recubrimiento. Para esto, se realizan simulaciones numéricas, las cuales se dividen en las simulaciones que corresponden al flujo de gas, y las simulaciones de inyección del partículas dentro de una tobera de Cold Spray utilizando el programa ANSYS Fluent. Para las simulaciones del flujo de gas, se mantiene la geometría de la tobera, pero se irá variando el espesor del recubrimiento, siguiendo una distribución normal, realizando un total de once simulaciones. En cuanto a las simulaciones de inyección de partículas, se simulan partículas de aluminio, cobre y titanio, para ocho tamaños diferentes de partículas. De las simulaciones numéricas, se extraen principalmente los perfiles de velocidad y termodinámicos, para el caso del flujo de gas, y en cuanto a las partículas, se obtienen sus velocidades, temperaturas, posición y ángulos de impactos. Finalmente, entre las conclusiones más importantes, se demuestra que la forma y la variación del espesor del recubrimiento, son cruciales para determinar el ángulo de impacto que tendrá la partícula sobre la superficie, siendo esta una de las variables que más influye en la eficiencia de deposición de las partículas junto con la velocidad de impacto.