The curvature method applied to characterize thermal spray coatings analytical linear elastic analysis

 

Authors

Maldonado Puente, Bryan Patricio

Format

BachelorThesis

Status

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Description

Thermal spray is one of the most common deposition technologies in the industry of thick coatings. During deposition, thermal strain misfit between substrate and coating layers develops residual stresses. The deposition process layer-by-layer generates quenching and peening stress that balance through-thickness of the composite beam (coating/substrate) to produce a profile of residual stresses. Under linear elastic assumptions, an analytic multilayer analysis is presented in this study, aiming to calculate the stress profile after the deposition process and after cooling to room temperature. The model uses curvature-temperature data acquired during the in-situ monitoring of the deposition process. The typical sprayed substrate is a thin plate which bends due the occurrence of residual stresses. All thermal stresses produced during deposition due to heating or cooling of the composite are taken into account. For post-processing characterization, the composite beam can be subjected to a heat cycle (heating-cooling cycles) to obtain the curvature-temperature behavior that is dependent on the expansion properties of the materials, and their respective in-plane elastic moduli. An analytic analysis for this ex-situ experiment is presented to determine the properties of the coating material, specifically 1) in-plane elastic modulus and/or 2) the coefficient of thermal expansion (CTE). This is of high interested provided that in most cases, these properties are unknown for the coating material, or are highly dependent on the processing. The property values are obtained as temperature dependent. Finally, a sensitivity analysis is presented for the purpose of determining the optimum parameters to conduct curvature tests applied to coatings. The optimum coating thickness to substrate thickness is suggested based on the modulus ratios and CTE’s. The goal is to minimize relative errors in curvature-temperature data collection during the in-situ or ex-situ experiments.
La proyecci´on t´ermica es una de las tecnolog´ıas de deposici´on m´as comunes en la industria de recubrimientos gruesos. Durante la deposici´on, la deformaci´on t´ermica entre el sustrato y las capas del recubrimiento desarrolla esfuerzos residuales. El proceso de deposici´on capa por capa genera esfuerzos de temple y granallado que en el equilibrio a trav´es del espesor de la viga compuesta (recubrimiento/sustrato) genera un perfil de esfuerzos residuales. Bajo supuestos el´asticos lineales, un an´alisis anal´ıtico de m´ultiples capas se presenta en este estudio, con el objetivo de calcular el perfil de esfuerzos despu´es del proceso de deposici´on y despu´es de enfriar a temperatura ambiente la viga compuesta. El modelo utiliza datos de curvatura-temperatura adquiridos durante el seguimiento in-situ del proceso de deposici´on. El sustrato t´ıpico para este proceso es una placa delgada que se dobla por la aparici´on de esfuerzos residuales. Todos los esfuerzos t´ermicos producidos durante la deposici´on debido al calentamiento o enfriamiento del material compuesto se han tomado en cuenta. Para la caracterizaci´on de post-procesamiento, la viga de material compuesto puede ser sometido a un ciclo de calentamiento (ciclos de calentamiento-enfriamiento) para obtener el comportamiento de curvatura-temperatura que depende de las propiedades de expansi´on de los materiales, y sus respectivos m´odulos el´asticos en el plano. Un an´alisis anal´ıtico para este experimento ex-situ se presenta para determinar las propiedades del material de revestimiento, espec´ıficamente 1) m´odulo de elasticidad en el plano y/o 2) el coeficiente de expansi´on t´ermica (CTE). Esta infomraci´on es de alto inter´es en la mayor´ıa de los casos pues estas propiedades son desconocidas para el material de recubrimiento, o son altamente dependientes del proceso de deposici´on. Los valores de las propiedades se obtienen como dependientes de la temperatura. Por ´ultimo, un an´alisis de sensibilidad se presenta con el prop´osito de determinar los par´ametros ´optimos para llevar a cabo pruebas de curvatura aplicadas a recubrimientos. El espesor del recubrimiento ´optimo a espesor del sustrato se sugiere en base a las relaciones de m´odulos y de CTE. El objetivo es reducir al m´ınimo los errores relativos en la recopilaci´on de datos curvatura-temperatura durante los experimentos in-situ o ex-situ.

Publication Year

2014

Language

Topic

Tecnología
INGENIERÍA MECÁNICA

Repository

Repositorio Universidad San Francisco de Quito

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http://repositorio.usfq.edu.ec/handle/23000/3165

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