Resumen de Simulación y estudio experimental del método de resolidificación superficial por láser aplicados a cerámicas eutécticas densas del sistema al2o3-zro2-y2o3
El núcleo central de éste trabajo se basa en el estudio tanto teórico como experimental de las condiciones necesarias para fabricar capas eutécticas del sistema Al2O3-ZrO2-Y2O3 en placas extensas libres de grietas y de la formación de burbujas. Para ello se realizarán tanto ensayos experimentales de caracterización, como simulaciones termomecánicas para conocer las condiciones de procesado y de fabricación de muestras óptimas.
Objetivos: -Resolución del problema térmico y tensional del procesado de muestras de Al2O3-YSZ mediante la técnica de resolidificación superficial por láser. El análisis, de gran importancia para entender las tensiones generadas durante el procesado, y poder extrapolar esta técnica a muestras de mayor tamaño, estudiará la influencia de diversos factores sobre las tensiones resultantes: anchura y espesor de la muestra, temperatura de precalentamiento, características del láser, etc.
-Fabricación mediante procesado láser de capas extensas con microestructura eutéctica procesado sobre placas de Al2O3-YSZ. Análisis microestructural y medición de las propiedades mecánicas y de resistencia al desgaste. Optimización del procesado para conseguir materiales libres de grietas y de burbujas.
-Fabricación de capas eutécticas en muestras de Al2O3-YSZ-YAG. Estudio de las tensiones residuales, y de las propiedades mecánicas.
Metodología El trabajo se puede subdividir asimismo en dos grandes bloques de interés. En el primer bloque, y sustentado por el segundo bloque, se aborda la siguiente metodología:
-Estudio de la reología de suspensiones necesaria para la fabricación de cerámicas densas de la composición eutéctica deseada y fabricación de las cerámicas de la composición eutéctica deseada.
-Estudio de las condiciones de fusión superficial con láser óptimas para la obtención de muestras libres de grietas y de burbujas: temperatura de precalentamiento, dimensiones geométricas de las muestras, gases de trabajo, etc.
-Análisis cristalográfico, composicional y microestructural de las muestras eutécticas generadas. Revisión del estado tensional residual generado durante el procesado; y correlación con los resultados obtenidos en la simulación termomecánica expuesta en el segundo bloque de objetivos.
-Análisis de las propiedades mecánicas en función de las condiciones de procesado: dureza, tenacidad, resistencia a la flexión.
En el segundo apartado, se muestra el estudio por simulación de las tensiones generadas durante el proceso de resolidificación superficial por láser. El poder tener un conocimiento a priori de las mejores condiciones de procesado según las propiedades del material, es algo crucial para que estos materiales puedan ser producidos de manera masiva mediante ésta técnica. El control sobre el origen de grietas, sobre el calentamiento controlado del material, y la distribución de temperaturas en el fundido, permitiría producir placas con mejores propiedades, así como libres de grietas. La metodología de trabajo es la siguiente:
-Se construirá un modelo que represente las condiciones reales de procesamiento en tres dimensiones, utilizando el paquete comercial Ansys, que permite simular el proceso mediante el método de los elementos finitos (FEM). La simulación permite predeterminar de antemano las condiciones de procesado para obtener el resultado requerido (espesor de la capa procesada resolidificada, microestructura, potencia umbral, forma del fundido...etc.) y a su vez conseguir esto con las mínimas tensiones posibles buscando un material libre de grietas.
-Se abordará el estudio tanto desde el punto de vista experimental como teórico. Para poder validar el modelo, y poder ajustar algunos parámetros desconocidos a priori, es necesario diseñar y ejecutar una serie de experimentos de control.
-Se aplicará el modelo a cerámicas de Al2O3-ZrO2 (3% mol Y2O3) en su composición eutéctica ya que este compuesto es más resistente al choque térmico y la microestructura de la capa resolidificada es conocida por sus excelentes propiedades mecánicas. Además, se conocen los parámetros termodinámicos de este compuesto permite comparar los resultados obtenidos con resultados experimentales, y verificar el modelo.
- Desde el punto de vista térmico se analizará en el procesado la importancia de factores como son transferencia de calor en el fundido, o el calor latente de fusión. Desde el punto de vista mecánico se estudiará la dependencia de las tensiones termomecánicas con diversos factores: velocidad de procesado, anchura de la muestra, temperatura de precalentamiento, enfoque del láser, uso de dos láseres, etc.
