Estudio de los parámetros atómicos necesarios en la diagnosis de los plasmas fríos generados en procesos industriales

Moreno Díaz, Cristina (2017). Estudio de los parámetros atómicos necesarios en la diagnosis de los plasmas fríos generados en procesos industriales. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Diseño Industrial (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.47342.

Descripción

Título: Estudio de los parámetros atómicos necesarios en la diagnosis de los plasmas fríos generados en procesos industriales
Autor/es:
  • Moreno Díaz, Cristina
Director/es:
  • Alonso Medina, Aurelia
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Diseño Industrial (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Como es bien conocido, los láseres llevan ya suscitando un gran interés en muchos campos de la ciencia y cada vez son más importantes en la industria. Esta ya no sólo los utiliza en aplicaciones tradicionales como soldadura, corte o ablación, si no que se están implementando como fuente para análisis espectroscópicos; y por otro lado para nuevos tratamientos que mejoran las características de los materiales tanto a nivel superficial como estructural. En este último grupo se encuentra el Laser Shock Peening o Laser Shock Processing (LSP), que es una tecnología emergente para la mejora de propiedades de resistencia mecánica de materiales metálicos de interés estratégico. El desarrollo para su implantación a nivel industrial es objeto de estudio en importantes laboratorios y centros de investigación de todo el mundo, de manera que la misma está, sin duda, llamada a constituir una tecnología básica de tratamiento de componentes mecánicos de gran importancia y alta fiabilidad. La técnica del LSP consiste en focalizar sobre una pieza metálica un pulso láser de alta energía (I>109 W/cm2, _<50 ns) provocando la vaporización instantánea de su superficie y la generación de un plasma de alta densidad de electrones y temperatura compuesto por las distintas especies ionizadas de los elementos presentes en la pieza y en el ambiente. La alta presión del plasma genera una onda de choque que, por el principio de conservación del movimiento, acaba propagándose dentro de la pieza afectando así a sus propiedades mecánicas. Para aumentar la intensidad de la onda de choque se confina el plasma de tal forma que permanece más tiempo en contacto con la superficie del metal aumentando el impulso efectivo de la onda de choque. El medio confinante usado habitualmente es el agua, aunque también se ha estudiado el uso de vidrios y pinturas. En los últimos años se ha realizado un importante trabajo experimental a nivel mundial, de cara a obtener las condiciones óptimas para la aplicación del tratamiento y determinar su capacidad de mejorar las propiedades mecánicas del material. Sin embargo, sigue existiendo un vacío importante a la hora de predecir cuales son las condiciones óptimas de aplicación del LSP en nuevos materiales. Esto es debido en parte a la complejidad de los procesos físico-químicos implicados así como de las transformaciones que tienen lugar, considerando las propiedades reales de los materiales y la dinámica asociada a la interacción láser-materia. Por ello, desde el Centro Láser de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) se están realizando trabajos orientados a la búsqueda de las condiciones óptimas para la aplicación de esta técnica en determinadas aleaciones industriales. Asimismo se llevan a cabo trabajos que estudian teóricamente algunos de los aspectos involucrados en los procesos físicos presentes, como son las tensiones residuales resultantes de las ondas de choque que se propagan por el interior del material, y que como se explicará más adelante son las causantes de la mejora de las propiedades mecánicas. Sin embargo, un estudio puramente físico-mecánico del proceso dista de ser suficiente para caracterizarlo completamente y por ello otra de las líneas de investigación que se está desarro llando en el Centro Láser es el estudio en profundidad del plasma generado por la interacción del láser con la superficie metálica y la interacción de este con la superficie del material para ver cómo pueden afectar los fenómenos físico-químicos a la interacción mecánica con la onda de choque. Esta línea es la que ha dado lugar a la realización de esta Tesis. El desarrollo de la presente Tesis se ha enfocado específicamente en la caracterización del plasma generado en un proceso LSP. En concreto el presente trabajo combina un estudio conjunto tanto experimental como teórico para poder diagnosticar los plasmas fríos generados en procesos industriales, en concreto el LSP sobre una aleación de aluminio de la serie 2024. ABSTRACT As it is well known, lasers have been raising great interest in many fields of science and more important in industry. This one does not only use them in traditional applications such as welding, cut or ablation, but implemented as a source for spectroscopic analysis; moreover for new treatments which improve the characteristics of the materials either at a superficial level or at a structural one. In the last one, we can find the Laser Shock Peening or Laser Shock Processing (LSP), an emergent technology for the improvement of the properties of mechanical resistance of metallic materials of strategy interest. The development for its implementation at industrial level is being considered by important laboratories and investigation centres all around the world. Therefore it is undoubtedly going to be part of a basic technology of treatment of mechanical components of great importance and high reliability. The LSP technique consists of focusing a laser pulse on a high energy metallic piece (I>109 W/cm2, _<50 ns) causing instant vaporization of the surface and the generation of a high density and temperature plasma made of different ionised species of the elements present in the piece and in the environment. Due to the principle of movement conservation, a shock wave is generated by the high pressure of the plasma. This shock wave spreads inside the piece affecting its mechanical properties. In order to amplify the intensity of the shock wave, the plasma is confined so that it stays longer in contact with the surface of the metal what increases the effective impulse of the shock wave. The habitually used confining environment is water, although the use of glass and paint has also been studied. In the last years, important experimental work has been realized worldwide so as to get the best conditions to apply the treatment and determine its capacity to improve the mechanical properties of the material. Nevertheless, there is an important gap when predicting the best application conditions of LSP in new materials. This is partly due to the complexity of the physicochemical processes implied, as well as the transformations taking place, accounting for the real properties of the materials and the dynamics associated to the interaction laser-materia. For all these reasons, in the Laser Centre of the Universidad Politécnica de Madrid (UPM) there are works on progress focused on the search of optimal conditions in order to apply this technique in certain industrial alloys. Likewise, we are accomplishing works which study theoretically some of the aspects involved in the present physical processes, such as residual stress resulting from the shock waves which spread in the interior of the material, and as it will be explained later, they are the cause of the improvement of the mechanical properties. However, a research of the process which is purely physical-mechanical is far from being enough to characterize it completely and this is the reason why other line of research being developed in the Laser Centre is the in-depth study of the plasma generated by the interaction of the laser and the metallic surface and the interaction of this one with the surface of the material to see how the physical-chemical phenomenon can affect the mechanical interaction with the shock wave. This line has given rise to this Thesis. The development of this Thesis has been focused specifically on the characterization of the plasma generated in an LSP process. In particular, this work combines a joint study either experimental or theoretical so as to diagnose cold plasmas generated in industrial processes, concretely the LSP on an aluminium alloy of the series 2024.

Proyectos asociados

TipoCódigoAcrónimoResponsableTítulo
Gobierno de EspañaMAT-2012-37782Sin especificarSin especificarAnálisis integrado teórico-experimental de la técnica LSP aplicada a la mejora de propiedades mecánicas y superficiales de componentes metálicos de alta fiabilidad
Gobierno de EspañaMAT-2015-63974-C4-2-RSin especificarSin especificarTratamiento mediante LSP de aleaciones de magnesio biodegradables y bio-reabsorbibles como método de mejora de sus propiedades mecánicas

Más información

ID de Registro: 47342
Identificador DC: http://oa.upm.es/47342/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:47342
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.47342
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 01 Sep 2017 10:34
Ultima Modificación: 28 Feb 2018 23:30
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