Investigación sobre el proceso de revestimiento láser de fibra de carbono reforzada con matriz de aluminio de paso...

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• Ingeniería de fabricación
• Mecánica computacional

Sus antecedentes:

• El revestimiento láser de compuestos de aluminio reforzados con fibra de carbono continua (Cf / Al) se enfrenta a desafíos como el estrés interfacial, la degradación de la fibra y la inestabilidad geométrica debido a los rápidos gradientes térmicos.
• La optimización del proceso de revestimiento láser es crucial para la producción de compuestos Cf/Al de alto rendimiento para aplicaciones exigentes.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar y validar un modelo computacional para simular las interacciones multifísicas durante el revestimiento láser de compuestos Cf/Al.
• Identificar una ventana de parámetros de proceso óptima que minimice la distorsión térmica y mejore las propiedades interfaciales.
• Evaluar cuantitativamente la función protectora de las capas intermedias de níquel contra la degradación de las fibras y mejorar la transferencia de carga.

Principales métodos:

• En Abaqus se desarrolló un modelo de elemento finito termoelástico con una fuente de calor de doble elipsoide, que incorpora propiedades de material dependientes de la fase y efectos de calor latente.
• Se realizaron simulaciones para la deposición de una sola vía, analizando campos de temperatura transitorios, tensiones residuales y comportamiento interfacial tanto para configuraciones de fibra sin recubrimiento como con recubrimiento de Ni.
• Se llevó a cabo una validación experimental para confirmar la precisión predictiva del modelo y evaluar el rendimiento de los compuestos Cf/Al recubiertos de Ni.

Principales resultados:

• Se identificó una ventana óptima de parámetros de revestimiento láser (potencia láser de 700 a 800 W, velocidad de escaneo de 2 mm/s, radio de punto de 3 mm), reduciendo la distorsión térmica a menos del 5%.
• Las capas intermedias de níquel redujeron la degradación de la fibra en un 42% a 1200 °C y mejoraron la eficiencia de transferencia de carga interfacial en un 34,7%, reduciendo las tensiones de tracción de la matriz a 159 MPa.
• Los sistemas recubiertos de níquel demostraron una estabilidad térmica superior (diferencias de temperatura < 12,6 °C) y un bloqueo mecánico, con fracciones de vacío interfacial inferiores al 8%.

Conclusiones:

• El estudio establece un marco de enlace proceso-estructura para la fabricación de compuestos de Cf/Al controlada por defectos.
• El modelo de elementos finitos desarrollado sirve como una metodología de gemelo digital para la fabricación de compuestos avanzados de grado aeroespacial.
• El revestimiento láser optimizado con capas intermedias de níquel mejora significativamente el rendimiento y la fiabilidad de los compuestos de aluminio reforzados con fibra de carbono.