Cuando una superficie frágil requiere un recubrimiento de metal aglomerado superfino y duro como una roca, los procesos de fabricación convencionales se quedan cortos. Sin embargo, el spray dinámico de gas frío CGDS puede hacer exactamente eso, con una gran advertencia. CGDS es enormemente versátil, pero también es muy difícil predecir aspectos clave de todo el proceso. Ahora un modelo 3D basado en la temperatura del profesor Tien-Chien Jen de la Universidad de Johannesburgo comienza a descubrir los misterios del proceso de crecimiento de la película CGDS en la zona de deposición de partículas.
El modelo es el primero en conectar los puntos entre la velocidad de impacto de partículas, la transformación de energía y el aumento de temperatura en la zona de impacto de partículas, en tres dimensiones.
CGDS ya se usa ampliamente para fabricar o reparar piezas metálicas para grandes aviones de pasajeros, así como tecnología móvil y equipo militar.
En el proceso, una boquilla de Laval pulveriza partículas metálicas del tamaño de micras en una distancia corta, generalmente de 25 mm, en una superficie de metal o polímero. Las partículas impactan la superficie a velocidades que varían de 300 metros por segundo a 800 metros por segundo.Como marco de referencia, la velocidad del sonido es de 343 metros por segundo.
CGDS tiene el mejor rango de temperatura de todos los procesos de pulverización industrial en uso hoy en día, y ahorra energía, ya que no se agrega calefacción.
misterio de fabricación
Sin embargo, un misterio comienza en el piso de la fábrica. Si tiene una partícula de cobre de 5 micras, ¿qué tan rápido debe llegar a la zona de deposición en aluminio, si no ha usado esta combinación antes? O selecciona un nuevo metal paralas partículas y un nuevo metal para la superficie: ¿cómo empiezas a adivinar de qué tamaño deberían ser las partículas y a qué velocidad deberían impactar la superficie para obtener un recubrimiento bien adherido?
Tenga en cuenta que el recubrimiento unido a CGDS debe venir sin evaporación, cristalización, tensiones residuales u otros daños térmicos; algunas de las principales razones por las que se utiliza CGDS en primer lugar. Estas preguntas pueden tener enormes implicaciones financieras para las máquinas de fabricación en la fábricapiso.
Física aún fuera
Por qué CGDS une las partículas metálicas a una superficie de sustrato ha desafiado la comprensión desde su invención en la década de 1980 por los militares, dice Jen, profesora del Departamento de Ciencias de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Johannesburgo.
"Al principio, los militares usaron CGDS para reparar piezas de repuesto en el medio de la nada. Luego, otras industrias se dieron cuenta de que también pueden usarlo en superficies muy frágiles. Puede crear una nueva superficie adherida de solo unos pocos micrones de espesor, o mantenerrocíe hasta que tenga un recubrimiento de 10 mm. Una vez que haya rellenado las grietas o agujeros, puede mecanizar la pieza para que tenga sus dimensiones exactas nuevamente, porque el recubrimiento unido con GDS puede ser más duro que el titanio o el vanadio del que está hecha la pieza."
El recubrimiento CGDS puede ser tan duro debido a los esfuerzos de compresión creados cuando las partículas impactan la superficie. Los esfuerzos aumentan la vida útil de la fatiga del metal, dice. Esto es similar a lo que sucede en el granallado, un proceso industrial similar al CGDS, pero usando "bolas" de unos pocos milímetros de diámetro para impactar una superficie.
"CGDS se utiliza para la fabricación y reparación de muy alto costo, pero no existe un modelo integral y realista que describa la física de todo el proceso", dice Jen.
3D con salpicaduras
En CGDS, los ingenieros hablan de dos zonas. La primera es la zona de fuga entre la boquilla de rociado y la superficie a rociar. Esta zona fue modelada por Jen en un artículo de investigación de 2005 en el Revista internacional de transferencia de calor y masa .
La segunda zona es la zona de deposición, donde los artículos pulverizados impactan la superficie. El nuevo modelo 3D describe esta zona.
Los modelos bidimensionales anteriores han intentado resolver el rompecabezas en torno a la unión de CGDS, pero estos tienen una limitación severa. Cuando extiende un modelo 2D a 3D, termina con un 'cilindro horizontal' que desciende hacia la superficie que se pulveriza.
"Desafortunadamente, un cilindro descendente no puede modelar de manera realista lo que sucede con las partículas discretas en forma de bola que" salpican "en la superficie del sustrato", dice Jen.
Como la industria sabe, la velocidad velocidad en que la partícula llega al sustrato es crítica. Demasiado lenta y simplemente rebotará. Demasiado rápido y puede pasar como una bala a través de un sustrato delgado.
El nuevo modelo anima en 3D una sola partícula esférica que "cae" en el metal del sustrato. El sustrato se "salpica" y luego la partícula y el enlace del sustrato. El "chapoteo" del sustrato se parece a la leche que salpica cuando algo cae dentroel cuenco del gato. Esto se llama comportamiento de chorro en la industria ", dice Jen.
metal frío, aumento de temperatura
El modelo utiliza varios parámetros que describen la naturaleza de la partícula y la superficie: densidad, conductividad térmica, calor específico, punto de fusión, módulo elástico, relación de Poisson, plasticidad Johnson-Cook y daño Johnson-Cook.
Es el primero en predecir en 3D cómo aumentará y disminuirá la temperatura promedio de la zona de impacto de la partícula, dependiendo del tamaño y la velocidad de impacto de la partícula. El modelo se publicó en el Revista de tecnología de pulverización térmica .
Solo lo suficientemente rápido como para derretir
"Para este modelo 3D, seguimos la hipótesis de que una partícula de metal tiene que unirse con el sustrato al 60% de su temperatura de fusión, para crear una nueva superficie fuerte sin dañar el sustrato", dice el profesor Jen.
Como ejemplo, el cobre Cu tiene una temperatura de fusión de 1083 grados centígrados, y el 60% de eso es 650 grados Celsius. Por lo tanto, la hipótesis dice que una partícula de cobre de 5 micras que impacta en la superficie del sustrato de aluminio, tendrá que ser rápidasuficiente para que la temperatura promedio de la zona de impacto suba al menos a 650 Celcius, y no mucho más, para que se produzca una buena unión. Según el modelo, ese rango de velocidad de impacto crítico es de entre 700 y 800 metros por segundo.
transformación de energía supersónica
Cuando una partícula de cobre viaja a una velocidad supersónica y golpea una superficie de aluminio, su energía móvil cinética se convierte en energía térmica térmica, dice el profesor Jen. Esto depende de la velocidad de impacto de la partícula.
"El calor hace que la partícula y la zona de impacto sean" blandas y pegajosas ", similar al queso fundido. La partícula se transforma en una" gota blanda "que llena el" cráter de impacto "en la superficie del sustrato. Al mismo tiempo,La fricción se desarrolla entre la burbuja y la superficie del cráter, lo cual es crítico para el proceso de unión ", dice.
"La fricción 'agarra' la mancha y se hunde en la superficie del sustrato. A medida que la mancha se hunde, el sustrato fundido alrededor de la partícula 'salpica' en el comportamiento típico de inyección. Cuando la inyección se asienta, el enlace entre partículasy la superficie está completa ", dice Jen.
Modelo contra el mundo real
El modelo, aunque limitado, se mantiene en resultados experimentales con partículas de cobre rociadas sobre una superficie de aluminio.
"Cuando la velocidad de impacto está dentro del rango predicho por el modelo para un tamaño de partícula, se alcanza una temperatura de unión suficiente y se crea un recubrimiento CGDS fuerte. Como ejemplo, instalamos nuestro equipo CGDS en el laboratorio para partículas de cobre conun tamaño promedio de 5 micras, transportado por nitrógeno, y una velocidad de impacto en el rango de 700 a 800 metros por segundo depositado hacia abajo sobre aluminio.
"El modelo predice que a una velocidad de impacto de aproximadamente 750 metros por segundo, se alcanzará la temperatura de unión crítica de 650 grados Celsius en la zona de impacto de partículas. De acuerdo con esa predicción, obtuvimos excelentes recubrimientos unidos por CGDS", dice.
"Sin embargo, como también predijo el modelo, descubrimos con nuestra configuración de laboratorio que cuando la velocidad de impacto de las partículas no está dentro del rango crítico, se alcanza una temperatura de unión insuficiente. Esto puede dar como resultado un recubrimiento superficial deficiente con polvos sueltos y superficie de desguace, que no cumplen con los estándares de calidad de fabricación ", dice Jen.
Gran desafío permanece
El modelo 3D de una sola capa de una sola partícula se extenderá a un modelo de múltiples partículas y capas múltiples en proyectos de seguimiento.
Dice Jen: "Este modelo 3D es el primero en describir cómo la temperatura de la zona de impacto influye en la deposición de partículas. Sin embargo, modelar de forma realista la zona de deposición en CGDS sigue siendo un gran desafío para resolver. En condiciones del mundo real, las partículas no sonde tamaño o forma uniformes, y viajan a diferentes velocidades y ángulos. Por lo tanto, un modelo más completo tendrá que acomodar rangos o distribuciones de todos estos parámetros ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Johannesburgo . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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