An optimisation method for the cold-spray process: On the nozzle geometry

Abstract

Actualmente, el proceso de proyección en frío es una técnica muy utilizada en aplicaciones de deposición de recubrimientos. La baja temperatura del proceso de deposición es la característica distintiva que lo hace adecuado para muchas actividades de fabricación aditiva, como la reparación y restauración de componentes dañados. La fiabilidad de los recubrimientos depende en gran medida de la velocidad del polvo durante su impacto sobre la superficie objetivo. Las condiciones de proyección, como la presión y la temperatura del gas portador y la geometría de la boquilla, controlan la aceleración de las partículas de polvo. En consecuencia, existe un interés creciente en la optimización de la geometría de la boquilla para maximizar la aceleración de las partículas a través de la trayectoria que siguen a lo largo de dicha boquilla. En contraste con varios enfoques existentes para lograr este objetivo (modelado de elementos finitos, enfoque experimental y métodos analíticos), en este estudio se desarrolló un modelo alternativo basado en la teoría isoentrópica unidimensional que explica la dinámica del flujo diluido de dos fases. En primer lugar, se llevó a cabo un análisis de las hipótesis habituales utilizadas para obtener la ecuación de movimiento de la partícula. Posteriormente, con los nuevos conocimientos obtenidos en el análisis anterior, se realizó un nuevo modelo teórico para la optimización de la parte divergente de la boquilla, considerando una restricción de ángulo geométrico. Este modelo se basa en la integración numérica de la ecuación de movimiento de la partícula, asegurando la maximización de la fuerza de arrastre de la partícula mediante el método del multiplicador de Lagrange. Una vez formulado el modelo analítico, se obtiene un conjunto de curvas que describen los parámetros geométricos óptimos para diferentes condiciones. Además, se presentan algunas geometrías óptimas que demuestran la baja influencia de la restricción del ángulo. Además, se muestra la relación inversamente proporcional entre la presión de proyección y la temperatura.