Thesis:

Modelación del comportamiento en vuelo de partículas de WC-10Co-4Cr y posterior análisis teórico del efecto en las propiedades y resistencia al desgaste abrasivo de recubrimientos fabricados por HVOF

En este trabajo se evaluó, mediante simulaciones computacionales de pistolas HVOF, el efecto de la presión al interior de la cámara de combustión en la velocidad y temperatura de partículas del tipo WC-Co-Cr y cómo estas, a su vez, modifican la dureza, porosidad y desgaste abrasivo de los recubrimientos. Esto es importante en la industria hidroeléctrica, debido a que partes de las turbinas utilizadas están sometidas a este tipo de desgaste, reduciendo la vida útil y la eficiencia. Se empleó el software ANSYS Fluent para simular la combustión del queroseno en una pistola JP5000 y la combustión del hidrógeno y del propileno en una pistola DJ2700. Las variables seleccionadas fueron: (i) flujo de combustible, (ii) flujo de oxígeno y (iii) flujo másico total. Además, se recopilaron datos de la literatura que permitieron proponer relaciones empíricas entre las características de las partículas (temperatura y velocidad) y las características de los recubrimientos (dureza y porosidad) y, a su vez, entre dureza y porosidad y el desgaste abrasivo de los recubrimientos. Los principales resultados indican que la presión al interior de la cámara de combustión y la temperatura de la partícula no están relacionadas, ya que esta característica va a depender de la proporción entre el combustible y el oxígeno. Por otra parte, la velocidad de la partícula mostró tener una relación directa con la presión al interior de la cámara de combustión en la combustión del hidrógeno y del propileno, mientras que en la combustión del queroseno esto no ocurre, ya que cuando la concentración de oxígeno incrementa demasiado, la velocidad de la partícula comienza a disminuir. Acoplando los resultados de las simulaciones con las relaciones empíricas, se determinó que el flujo de combustible es la variable de proceso que más influye en la dureza y porosidad de los recubrimientos. Se observó que el aumento del flujo de combustible resultó en el aumento de la dureza y en la disminución de la porosidad de los recubrimientos, dado el aumento en la temperatura de la partícula. En tanto, el desgaste abrasivo se redujo por el aumento de la dureza y la disminución de la porosidad, causado por el aumento en la temperatura de la partícula, la cual fue afectada por el aumento del flujo de combustible.

The aim of this work is to evaluate, through computational simulations of HVOF guns, the effect of increasing the pressure inside the combustion chamber on the velocity and temperature of WC-Co-Cr particles, and how they modify the hardness, porosity, and abrasive wear of the coatings. This is important in the hydroelectric industry because some turbine parts used are subjected to this kind of wear, reducing their useful life and efficiency. ANSYS Fluent was used to simulate a JP5000 gun, which was used to simulate kerosene combustion, and a DJ2700 gun, used to simulate hydrogen and propylene combustion. The variables selected were fuel flow rate, oxygen flow rate, and total mass flow (stoichiometric ratio constant). In addition, a literature review was conducted to find empirical correlations between particle characteristics (temperature and velocity) and coating characteristics (hardness and porosity), and, in turn, between hardness and porosity and the abrasive wear of the coatings. The main results indicated that the pressure inside the combustion chamber and the particle temperature are not related, since this characteristic depends on the proportion of fuel and oxygen. On the other hand, particle velocity showed a direct relationship with the pressure inside the combustion chamber in the hydrogen and propylene combustion, while in kerosene combustion this did not occur because the increase in oxygen concentration, both inside and outside the gun, caused a decrease in particle velocity when the oxygen flow and total mass flow increased. Coupling the simulation results with the empirical correlations, it was found that the increase in fuel flow rate was the variable that mainly increased the hardness and decreased the porosity of the coatings, due to the increase in particle temperature and velocity. The abrasive wear decreased because of the increase in hardness and decrease in porosity of the coatings, caused by the increase in particle temperature and velocity, which were affected by the increase in fuel flow rate.