{"id":{"repo_id":"upc-spain","oai_identifier":"oai:repositorio.upct.es:10317/18678"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/upc-spain/oai:repositorio.upct.es:10317/18678","repository":{"repo_id":"upc-spain","name":"Universidad Politécnica de Cartagena","base_url":"http://repositorio.upct.es/oai/request"},"display":{"title":"Modelado del comportamiento material de recubrimientos cerámicos por proyección térmica","abstract":"[SPA] En esta tesis se propone un modelo multiescala, basado en la técnica de submodelado, para el estudio de las tensiones residuales generadas en el proceso de recubrimiento por proyección térmica por plasma atmosférico de materiales cerámicos. El modelo se basa en un análisis termo-mecánico acoplado unidireccional para obtener la variación de la temperatura y tensiones durante el proceso de recubrimiento en tres niveles de escala. Se parte de un modelo macroscópico, donde se estudia el efecto térmico del paso de la antorcha de plasma sobre la superficie del sustrato, hasta llegar a un submodelo a nivel microscópico, correspondiente al espesor del recubrimiento. En este nivel de escala se analiza el proceso de deposición de las partículas, conocidas en inglés como splats, y su efecto en la variación de temperaturas y tensiones en la superficie del sustrato y en el interior de la capa de recubrimiento. Para simular el efecto de la antorcha sobre el sustrato se desarrolla un modelo térmico basado en la transferencia de calor por convección forzada. Se implementa un procedimiento de ensayo para obtener el perfil de temperaturas de la columna de plasma con la medida directa por termopar. Posteriormente, se valida el modelo térmico con medidas experimentales a diferentes profundidades del sustrato mediante la técnica de pirometría infrarroja. El modelo de simulación desarrollado se aplica a un proceso de recubrimiento térmico de Al2O3 sobre un sustrato de aluminio. A partir de los resultados del análisis térmico se realiza un análisis mecánico del proceso de deposición, y se obtiene la tensión de templado durante el proceso. Los resultados del modelo se validan experimentalmente mediante un ensayo de curvatura in situ con medición laser y pirometría infrarroja. Por último, se realiza un estudio paramétrico del modelo de simulación multiescala, variando parámetros geométricos del modelo, como son la geometría de la pieza y el espesor del recubrimiento en cada pasada de la antorcha. También se estudia la influencia de la temperatura de precalentamiento del sustrato, al ser unos de los parámetros fundamentales del proceso de recubrimiento. Este análisis muestra la flexibilidad del modelo multiescala propuesto para la predicción de las tensiones residuales. El modelo se presenta como una herramienta válida para la optimización de los parámetros del proceso real, con el consiguiente ahorro de tiempo y costes de producción.[ENG] This thesis proposes a multi-scale model based on the sub-model technique for the study of residual stresses generated in the atmospheric plasma thermal spray coating process of ceramic materials. The model is based on an one-way coupled thermo-mechanical analysis to obtain the variation of temperature and stresses during the coating process at three scale levels. The model begins at the macroscopic scale, where the thermal effect of the plasma torch on the substrate surface is analised. This is followed by a sub-model at the microscopic level, corresponding to the coating's thickness. At this scale level, the deposition process of the particles, known as splats, and its effect on the variation of temperatures and stresses on the surface of the substrate and inside the coating layer are analysed. In order to define the effect of the torch on the substrate, a thermal model based on forced convection heat transfer is developed. A test procedure is implemented to obtain the temperature profile of the plasma plume by direct measurement via thermocouple. Subsequently, the thermal model is validated with experimental measurements at different depths of the substrate using the infrared pyrometry technique. The simulation model developed is applied to a thermal spray process of Al2O3 on an aluminium substrate. From the results of the thermal analysis, a mechanical analysis of the coating process is carried out, and the quenching stress during the process is obtained. The stress results of the model are experimentally validated by means of an in-situ curvature test, using a laser distance measurement and a infrared pyrometer. Finally, a parametric study of the multi-scale simulation model is carried out, varying geometrical parameters of the model, such as the substrate geometry and the coating thickness at each torch pass. The influence of the preheating temperature of the substrate is also studied, as it is one of the fundamental parameters of the coating process. This analysis demonstrates the flexibility of the proposed multi-scale model for predicting residual stresses. The model is presented as a valid tool for the optimisation of real process parameters, with a important time and production costs reductions.","abstract_html":"[SPA] En esta tesis se propone un modelo multiescala, basado en la técnica de submodelado, para el estudio de las tensiones residuales generadas en el proceso de recubrimiento por proyección térmica por plasma atmosférico de materiales cerámicos. El modelo se basa en un análisis termo-mecánico acoplado unidireccional para obtener la variación de la temperatura y tensiones durante el proceso de recubrimiento en tres niveles de escala. Se parte de un modelo macroscópico, donde se estudia el efecto térmico del paso de la antorcha de plasma sobre la superficie del sustrato, hasta llegar a un submodelo a nivel microscópico, correspondiente al espesor del recubrimiento. En este nivel de escala se analiza el proceso de deposición de las partículas, conocidas en inglés como splats, y su efecto en la variación de temperaturas y tensiones en la superficie del sustrato y en el interior de la capa de recubrimiento. Para simular el efecto de la antorcha sobre el sustrato se desarrolla un modelo térmico basado en la transferencia de calor por convección forzada. Se implementa un procedimiento de ensayo para obtener el perfil de temperaturas de la columna de plasma con la medida directa por termopar. Posteriormente, se valida el modelo térmico con medidas experimentales a diferentes profundidades del sustrato mediante la técnica de pirometría infrarroja. El modelo de simulación desarrollado se aplica a un proceso de recubrimiento térmico de Al2O3 sobre un sustrato de aluminio. A partir de los resultados del análisis térmico se realiza un análisis mecánico del proceso de deposición, y se obtiene la tensión de templado durante el proceso. Los resultados del modelo se validan experimentalmente mediante un ensayo de curvatura in situ con medición laser y pirometría infrarroja. Por último, se realiza un estudio paramétrico del modelo de simulación multiescala, variando parámetros geométricos del modelo, como son la geometría de la pieza y el espesor del recubrimiento en cada pasada de la antorcha. También se estudia la influencia de la temperatura de precalentamiento del sustrato, al ser unos de los parámetros fundamentales del proceso de recubrimiento. Este análisis muestra la flexibilidad del modelo multiescala propuesto para la predicción de las tensiones residuales. El modelo se presenta como una herramienta válida para la optimización de los parámetros del proceso real, con el consiguiente ahorro de tiempo y costes de producción.[ENG] This thesis proposes a multi-scale model based on the sub-model technique for the study of residual stresses generated in the atmospheric plasma thermal spray coating process of ceramic materials. The model is based on an one-way coupled thermo-mechanical analysis to obtain the variation of temperature and stresses during the coating process at three scale levels. The model begins at the macroscopic scale, where the thermal effect of the plasma torch on the substrate surface is analised. This is followed by a sub-model at the microscopic level, corresponding to the coating's thickness. At this scale level, the deposition process of the particles, known as splats, and its effect on the variation of temperatures and stresses on the surface of the substrate and inside the coating layer are analysed. In order to define the effect of the torch on the substrate, a thermal model based on forced convection heat transfer is developed. A test procedure is implemented to obtain the temperature profile of the plasma plume by direct measurement via thermocouple. Subsequently, the thermal model is validated with experimental measurements at different depths of the substrate using the infrared pyrometry technique. The simulation model developed is applied to a thermal spray process of Al2O3 on an aluminium substrate. From the results of the thermal analysis, a mechanical analysis of the coating process is carried out, and the quenching stress during the process is obtained. 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Este análisis muestra la flexibilidad del modelo multiescala propuesto para la predicción de las tensiones residuales. El modelo se presenta como una herramienta válida para la optimización de los parámetros del proceso real, con el consiguiente ahorro de tiempo y costes de producción.[ENG] This thesis proposes a multi-scale model based on the sub-model technique for the study of residual stresses generated in the atmospheric plasma thermal spray coating process of ceramic materials. The model is based on an one-way coupled thermo-mechanical analysis to obtain the variation of temperature and stresses during the coating process at three scale levels. The model begins at the macroscopic scale, where the thermal effect of the plasma torch on the substrate surface is analised. This is followed by a sub-model at the microscopic level, corresponding to the coating's thickness. 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