Análisis termomecánico de esfuerzos residuales en muestras recubiertas con termorociado

 

Authors

Gaona Erazo, Daniel Efrén

Format

BachelorThesis

Status

publishedVersion

Description

The present work is an experimental analysis of the thermo-mechanical deformations caused by thermal residual stresses in materials that have been Thermal Sprayed. This technology is based on the deposition of several layers of a coating material over a substrate in order to improve its properties. The process involves heating the feedstock above its melting point, pulverizing it into small particles, and subsequently accelerate them toward the base material. Temperature gradients and the di↵erence in properties (specifically Young’s Modulus and CTEs) between materials produce stresses can produce cracking, delamination, etc. On the other hand, these stresses generate deformations that can be measured in order to understand and characterize the process of Thermal Spray. Several studies have been conducted on the subject. However, the scope of this project focuses on the deformation model itself. The objective was to prove whether or not the linear model of a bimaterial could be scale up to two and three dimensions. For this purpose, a special setup was designed and built based on a displacement sensor and a robotic arm. The setup is capable of scanning the surface of any specimen and measuring its deformation and curvature. The performance of the setup was comparable to a more sofisticated one placed in Stony Brook University. The curvature measurement error was less than 8% and the Young’s Modulus error was less than 2%. Also, several samples fabricated with aluminum as substrate and 100MXC (Fe, Cr, B, Mo alloy) based as deposit were analyzed. The results behave according to the theoretical model. First of all, the elastic linear behavior during heating/cooling cycles was proved. The linearity of all curvature-temperature curves was over the 97% confirming a linear tendency in one and two dimensions. On the other hand, the Young’s Modulus had a value was approximately equal for 1D and 2D analysis with a media of 96GPa and a standard deviation close to 2GPa. Moreover, the curvaturemeasured over di↵erent axis in the square samples vs temperature showed high linearity and correlation. These results confirm the validity of the model in two dimensions. Finally, the experimental deformation of the two and three-dimensional specimens was compared to several simulations carried on in ABAQUS. The errors for all the specimens were less than 6%. The similarity between the experimental results and the simulated ones allowed to conclude that it is possible to predict the deformation and stress distribution in a coated specimen subjected to a heating cycles by using FE modeling and obtaining the in plane Young’s Module from the Curvature-Temperature experimental method. Furthermore, It was concluded that it is possible to obtain the Young’s Modulus of the coating from 1D specimens and use this modulus for the two and three-dimension analysis without loss of generality.
El presente trabajo es un análisis experimental de las deformaciones causadas por los esfuerzos térmicos residuales en materiales que han sido recubiertos por termo rociado. Esta técnica sugiere la deposición por capas de materiales de diferentes características sobre sustratos diversos con el fin de mejorar las propiedades del conjunto. El proceso implica el calentamiento sobre el punto de fusión de partículas de material de deposición y el posterior impacto de dichas partículas a altas velocidades sobre un material base para producir la juntura. Los cambios de temperatura y la diferencia de propiedades, específicamente, expansión térmica y modulo de elasticidad, entre el material base y el de deposición producen esfuerzos sobre el conjunto que pueden degenerar en fractura, de laminación, etc. Estos esfuerzos generan proporcionalmente esfuerzos sobre el material base y de recubrimiento. La medición de estas deformaciones como herramienta para entender y controlar la calidad del proceso de termo rociado es un tema de alto interés académico e industrial. Varios estudios se han realizado sobre el tema. Sin embargo, el alcance de este proyecto es escalar el modelo unidimensional predictivo de deformaciones y analizarlos sobre superficies en 2 y 3 dimensiones. Para esto se diseñó y construyó una dispositivo de medición en base a una sensor láser de distancia y un brazo robótico. El dispositivo tiene la capacidad de realizar barridos sobre la pieza para medir la deformación, curvatura y deflexión de la misma. Al comparar los valores experimentales junto con los obtenidos por equipos más sofisticados, el dispositivo mostró un alto desempeño en la medición de curvatura y predicción del módulo de Young. Se analizaron probetas de aluminio como material base con recubrimiento de alambre 100MXC (aleación de Fe, Cr, B, Mo, etc.) y se obtuvieron resultados de su deformación y esfuerzos térmicos. En primer lugar, el comportamiento elástico de los materiales sometidos a un ciclo térmico produce un comportamiento lineal. La linealidad de las rectas curvatura vs. Temperatura alcanzo valores superiores al 97% en todos los casos como predecía el modelo teórico desarrollado en 1D, con probetas más largas que anchas

Publication Year

2014

Language

esp

Topic

Tecnología
Ingeniería
Esfuerzos residuales
Ingeniería mecánica

Repository

Repositorio Universidad San Francisco de Quito

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http://repositorio.usfq.edu.ec/handle/23000/3354

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openAccess

License

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