Evaluación experimental y numérica de sistema de testeo de impacto de una partícula (SPITS)

Abstract

Cold Spray es una técnica de proyección térmica principalmente utilizada en la industria aeroespacial para hacer recubrimientos, en la que partículas sólidas inmersas en un gas viajan a altas velocidades e impactan contra un sustrato depositándose en él. La efectividad de la deposición depende del material de las partículas y del sustrato, la temperatura y la velocidad de impacto. Existe una velocidad crítica a partir de la cual hay éxito en la deposición. Esta velocidad crítica depende de las propiedades termodinámicas del polvo y del sustrato y de la morfología y tamaño de las partículas. El estudio del impacto de múltiples partículas en el sustrato es complejo debido al bajo espacio temporal y espacial existente. Por esto, surge la necesidad de estudiar el fenómeno para una partícula mediante un sistema de testeo de impacto de una partícula (SPITS, por sus siglas en inglés). El sistema SPITS acelera una partícula a altas velocidades, pudiendo alcanzar la deposición en el sustrato, facilitando el estudio del mecanismo de adhesión. El objetivo general de este trabajo es evaluar numéricamente y validar experimentalmente la velocidad de las partículas aceleradas por el sistema SPITS diseñado por Berasaín (2021). Los objetivos específicos son desarrollar una metodología para simular numéricamente la velocidad de la partícula en el sistema SPITS, evaluar la velocidad a diferentes presiones de entrada de manera numérica, evaluar experimentalmente la velocidad de la partícula en el sistema SPITS para partículas de acero inoxidable y aluminio de 3 [mm] de diámetro y comparar y analizar los resultados obtenidos de manera numérica y experimental. Para obtener las velocidad mediante simulación se utiliza la malla dinámica en conjunto con el solver de seis grados de libertad en Ansys Fluent. Se define una geometría tipo pistón y una geometría que contempla la forma esférica. Para el procesamiento de datos se usa Excel y Python. La velocidad de las partículas se miden con un cronógrafo en la parte experimental. En simulaciones los resultados obtenidos mediante la geometría tipo pistón difieren en un 5,6% de los obtenidos con geometría esférica, por lo que el modelo tipo pistón es viable y confiable. Las pruebas experimentales indican velocidades entre 150 [m/s] y 245 [m/s] para acero y entre 205 [m/s] y 279 [m/s] para aluminio. El error de la velocidad obtenida mediante simulaciones oscila entre un 33% y un 37% para el acero y entre un 10% y un 29% para el aluminio, valores que se encuentran dentro del orden al comparar con la literatura. Como hipótesis se propone que los factores que explican la diferencia existente entre simulaciones y pruebas experimentales son el tiempo de apertura de la válvula solenoide, los efectos fluidodinámicos a la salida del cañón y las pérdidas por fricción partícula/cañón.