Numerical simulation of the melting of particles injected in a plasma jet

Simulación numérica de la fusión de partículas inyectadas en un jet de plasma

Este trabajo presenta la simulación numérica de la fusión de una partícula inyectada en un jet de plasma. Este procesoes hoy en día aplicado para producir capas o recubrimientos delgados sobre componentes mecánicos metálicos, con elobjetivo de mejorar su resistencia superficial frente a diferentes fenómenos tales como corrosión, temperatura y desgaste.En este trabajo se estudió la transferencia de calor incluyendo cambio de fase, de una partícula bimaterial compuesta porun centro metálico de hierro recubierto por una capa protectora de alúmina cerámica, dentro de un jet de plasma. El modelonumérico tomó en cuenta las condiciones ambientales a lo largo de toda su trayectoria en el jet. La simulación numérica deeste problema fue realizada mediante una formulación de elementos finitos con cambio de fase que retiene como variableúnica la temperatura. Los resultados obtenidos mediante esta metodología describieron satisfactoriamente el proceso defusión de la partícula. En particular, se describe la evolución del cambio de fase de la partícula bimaterial considerando elefecto producido por su movimiento en el ambiente gaseoso. Además, los resultados numéricos presentan concordanciacon los presentados en la literatura utilizando una formulación de volúmenes finitos basada en la entalpía.

INTRODUCCIÓN

El revestimiento es una técnica muy importante para mejorar las propiedades de las superficies, especialmente en casos de condiciones de trabajo extremas como la corrosión, las altas temperaturas y el desgaste. Normalmente se aplica una capa protectora de recubrimiento para proporcionar una barrera que prolongue la durabilidad de los componentes y las propiedades deseadas de los componentes de hardware en los dispositivos electrónicos y de ingeniería. Entre los diferentes sistemas de revestimiento, los revestimientos de barrera térmica (TBC) se utilizan habitualmente para proteger los equipos que funcionan en entornos de alta temperatura, como los revestimientos de las cámaras de combustión y los álabes de las turbinas de gas, de los flujos de calor y las temperaturas excesivamente elevados. Los materiales de pulverización térmica más utilizados para los motores de turbina son las cerámicas de óxido, entre ellas la circonia estabilizada con itria (YSZ) y las aleaciones de alúmina. Sin embargo, pueden utilizarse otros materiales para las barreras térmicas, como las aleaciones metálicas.

Los revestimientos de barrera térmica se aplican convencionalmente introduciendo un polvo del material de revestimiento en un chorro de plasma en el que las partículas de polvo se funden y se aceleran hacia la superficie que se va a revestir.