Simulación del fenómeno térmico mediante matlab de una partícula termoaspersada en la etapa de transporte por la técnica de arco eléctrico

Abstract

Los procesos de aspersión térmica son técnicas especializadas en recuperación dimensional y protección contra la corrosión a materiales estructurales. En la actualidad existen muchos tipos de procesos, entre los comunes se encuentran por arco eléctrico, HVOF (Proyección térmica de alta velocidad por sus siglas en ingles) y aspersión por atmósfera de plasma. El proceso general de aspersión se divide en tres etapas: Etapa de generación, la de transporte y la de depósito [1][2]. La etapa 1 o de generación es en la cual ocurren dos situaciones: las partículas de recubrimiento son generadas y son aceleradas. Para hacer esto, se cuenta con un sistema de proyección (Ver figura 1a) cuya configuración y funcionamiento varía de de un proceso a otro. En general, para acelerarlas se hace uso de un gas de atomización que es presurizado previamente y que, por medio de una boquilla es dirigido para impulsar las partículas hacia el sustrato. La etapa 2 o de transporte es la etapa en la cual las partículas viajan hacia el sustrato (Fig 1b). Las condiciones de las partículas son influenciadas, aparte de las condiciones en la etapa de generación, por condiciones climáticas, por el gas de atomización que genera una atmósfera alrededor de ellas y por el material del cual están hechas. Finalmente, en la etapa 3 o de depósito, las partículas chocan con el sustrato a unas determinadas velocidades y temperaturas, generando la capa de recubrimiento que se desea. Aquí los parámetros importantes son la porosidad, la adhesión, las temperaturas tanto del sustrato como de las partículas, la tasa de depósito, el diámetro de las partículas y la rugosidad (Ver fig. 1c) [2][9]. La proyección térmica por arco eléctrico es un proceso de aspersión térmica que usa alambres metálicos como electrodos (Ánodo y Cátodo) para generar una diferencia de potencial entre ellos, suficiente para crear un arco eléctrico con la energía necesaria para fundir el material metálico que se esté usando. Se hace uso generalmente de aire o nitrógeno como gas de atomización para acelerarlas. Cuando las partículas son fundidas e impulsadas hacia el sustrato, viajan a través de una campana de aspersión mientras se solidifican por transferencia de calor por convección con el medio circundante. En la etapa de depósito, las partículas forman un splat en el sustrato que sirve de recubrimiento (ver fig 3). La temperatura de llegada de las partículas y la transferencia de calor de estas al sustrato son variables fundamentales para las propiedades finales del recubrimiento [2][8][9][10]. En este documento se ha estudiado el comportamiento térmico de una partícula en la etapa de transporte, es decir, en el intervalo de tiempo que inicia justo en el momento de su primera atomización (etapa en que se funde el alambre para generar las partículas) y el instante justo antes de que estas impacten el sustrato. Para la investigación se logró configurar un script en MatLab que calcula el comportamiento térmico de la partícula arrojando el perfil térmico en función de la distancia. Se inició con una contextualización general de todos los temas alrededor del proceso, luego recopiló en forma general los parámetros iniciales para los materiales (alambres) considerados en este trabajo como, la teoría general de la solidificación. Finalmente, con los resultados obtenidos se hizo un análisis de la estructura general de las funciones, concluyendo con el desarrollo de una ecuación de temperatura para la partícula en función del diámetro de la misma; así como también una descripción general del comportamiento a lo largo de toda la trayectoria y la dependencia del diámetro con las segundas atomizaciones. El documento consta de una unidad inicial que contiene la introducción, justificación, descripción del problema y definición de los objetivos. La segunda unidad la componen los marcos teórico, conceptual, legal y normativo y estado del arte. En la tercera unidad aparece la metodología que organiza el procesamiento de la información adquirida en la segunda etapa; en ésta se procesa la información suministrada a través del script. Se finaliza con la unidad cuatro que contiene los resultados, su respectivo análisis y las conclusiones.