Modelamiento fluidodinámico del efecto de la alimentación de partículas en el perfil de deposición en Cold Spray en una tobera plana

Abstract

Cold Spray es un proceso de manufactura adivitiva que consiste principalmente en la deposición de partículas a alta velocidad -velocidades supersónicas- en un sustrato. Esto se logra mediante un gas a alta presión que circula por el interior de una tobera De Laval convergente-divergente que se encarga de acelerar el fluido. Por tanto, partículas de metal son arrastradas mediante este flujo, las cuales impactan el sustrato y se depositan mediante deformación plástica en éste. En este trabajo de título se analiza el efecto en el perfil de deposición ante cambios en la alimentación de partículas, específicamente, modificando el ángulo de inclinación del alimentador de partículas, se utilizan tres distintas configuraciones, las cuales poseen ángulos de inclinación de 45°, 90° y 135°. Esto se realiza con la finalidad de analizar los efectos de estos cambios en el perfil de deposición para cada caso. Para lograr esto, se realiza una simulación fluidodinámica de un gas en una tobera plana De Laval convergente-divergente, luego en el gas ya simulado se inyectan partículas de cobre granuladas. Se obtienen los resultados de estas partículas y son post procesados para obtener distintos resultados, entre los que destaca el perfil de deposición, que corresponde a la forma que poseen las partículas depositadas en el sustrato -superficie que recibe el impacto de las partículas-. Para la obtención de los perfiles de deposición se consideran las partículas de cobre esféricas. La simulación se realiza mediante el software ANSYS versión 18.2. Los efectos viscosos en el flujo son incorporados mediante el modelo k-épsilon estándar y para añadir el efecto turbulento en el gas, se utiliza el modelo Discrete Random Walk (DRW). Además, la simulación se realiza en régimen transiente y el solver utilizado corresponde a Density-Based. Los resultados señalan que la tobera con alimentador de 90° presenta un mejor desempeño en lo que respecta porcentaje de deposición -de partículas y masa- siendo éste casi el doble en comparación a las otras toberas -con alimentador de 45° y 135°- y su perfil de deposición posee una forma semejante a una campana de Gauss achatada. Por otro lado, la tobera con alimentador de 45° posee un perfil de deposición particular, en donde se obtiene una figura cóncava (especie de media luna). Las diferencias entre los distintos alimentadores y sus respectivos perfiles de deposición radican en la dirección de la velocidad con que ingresan a la tobera -la cual es definida por el tipo de alimentador-. Siendo el caso en que las partículas no poseen velocidad horizontal en la entrada el que presenta mejor desempeño -tobera con alimentador de 90°-. Otro factor que afecta en las diferencias entre los distintos alimentadores y sus perfiles de deposición es la trayectoria que utilizan las partículas desde que son inyectadas, siendo las partículas que viajan por la zona de flujo que presenta una mayor velocidad -centro de la tobera- las que presentan mayor probabilidad de adherirse.