Optimización de campos de tensiones residuales en procesos de tratamiento superficial de materiales metálicos mediante ondas de choque generadas por láser

摘要

La tecnología LSP se considera en la actualidad como una técnica emergente para la mejora de propiedades de resistencia mecanica de materiales metálicos de Ínteres estrategico cuyo desarrollo con vistas a su implantacián a nivel industrial es objeto de estudio en importantes laboratorios y centros de investigacián de todo el mundo y que está, sin duda, llamada a constituir una tecnología basica de tratamiento sobre la que se han de apoyar importantes mejoras en la capacidad de servicio de componentes mecanicos de importancia crítica. Sobre la base de los avances previos llevados a cabo por el equipo de investigaciáon en cuyo trabajo se enmarca la presente Tesis, el desarrollo de la misma se ha enfocado principalmente a la optimizacián de los campos de tensiones residuales de compresión inducidos por el tratamiento. En concreto, se ha realizado un extenso estudio sobre los diferentes parámetros experimentales implicados en el proceso con el objeto de optimi¬zarlos generando unas ventanas paramáetricas idáoneas para cada uno de los materiales objeto de analisis. Respecto a la estructuracián de la Tesis, en el capátulo 1 se presenta una introduccion al tratamiento superficial mediante ondas de choque generadas por laser desde un punto de vista descriptivo de la tecnologáa, siendo los principales puntos en los que se hace hincapie: Introduccion a los procesos de tratamiento de materiales mediante ondas de choque generadas por laser y sus aspectos cientfficos-tecnicos mas destacados. Discusion de potenciales beneficios obtenibles al tratar materiales mediante la tecnica LSP. Repaso de los principales materiales que normalmente son objeto de tratamiento y las modificaciones realizadas en sus propiedades mecaánicas. En el capátulo se incluye, ademas, un repaso bibliográfico de los trabajos mas significativos publicados sobre la tecnologáa tratada. ud Planteamiento y resumen de la Tesis. El capítulo 2 contiene una revisión sobre la problemática específica del estudio de proce¬sos de LSP desde el punto de vista de los resultados previamente obtenidos por distintos autores. El capítulo examina, entre otros, los siguientes aspectos fundamentales (adap¬tando contenidos de la referencia [MORALES04]): Mecanismo de generación de la onda de choque. Anólisis de la interaccion laser-plasma. Anólisis de la ruptura dielectrica del medio confinante. Metodología desarrollada en el CLUPM para el estudio de procesos de LSP, con especial referencia a los codigos DRUPT, LSPSIM, HARDSHOCK 1D y HARD- SHOCK 3D. Resumen del estado del arte de los avances experimentales de la tecnica LSP. En el capítulo 3 se recoge el nócleo basico de la Tesis consistente en el desarrollo y aplicación de una metodología propia de carácter integrado teorico-experimental para la optimizacion de campos de tensiones residuales en procesos LSP. Los puntos desarrollados en este capítulo son los siguientes: Marco general de la optimizacion de procesos LSP. Identificacion de parámetros experimentales implicados en el proceso: longitud de onda, diametro de interaccion, superposicion programada de pulsos laser, control del medio confinante y recubrimientos absorbentes. Descripcion de la metodología de anílisis y evaluaciín de los resultados de la simulaciín de procesos de LSP con vista a su optimizacion: ruptura dielectrica del medio confinante, influencia del perfil temporal del pulso laser sobre la intensidad de la onda de presion, anílisis de problemas unidimensionales y tridimensionales y analisis crítico de la capacidad predictiva del sistema SHOCKLAS. En el capítulo 4 se presenta la evaluaciín crítica con vistas a la definicion de los corres¬pondientes criterios de optimizacion de los resultados obtenidos durante el desarrollo de las campañas experimentales desarrolladas: Exposicion de los resultados obtenidos al medir tensiones residuales sobre dife-rentes materiales al modificar la intensidad del tratamiento: Aluminio 2024-T351, Acero AISI 304 y Ti6Al4V. Evaluacion comparativa entre los resultados calculados por simulacion numerica y los obtenidos a partir de la medida de las probetas tratadas experimentalmente. x Estudios complementarios de propiedades mecínicas adicionales realizados sobre probetas tratadas en el Centro Líser UPM: Ensayo de crecimiento de grieta y resistencia a la fractura y ensayo de desgaste y friccion.  udiv) Valoración crítica de las tendencias observadas en los procesos de tratamiento LSP ensayados y obtencion de los correspondientes criterios de diseño optimizado. En el capítulo 5 se indican las conclusiones obtenidas a partir del trabajo realizado así como las futuras líneas de desarrollo. Los anexos incluidos como parte accesoria contienen informacion importante que se ha utilizado en el desarrollo de la Tesis, que forma parte de lo que se puede considerar conocimiento establecido, y que se recoge junto con el desarrollo general del trabajo para proporcionar una presentación autoconsistente: En el anexo I se presenta una descripcion del equipamiento experimental utilizado para la aplicacion de la tecnica LSP. El anexo II contiene una descripcion del metodo de medida de tensiones residuales mediante el metodo del taladro incremental (Norma ASTM E837-08). El anexo III proporciona informacion sobre las propiedades de algunos materiales característicos objeto de tratamiento mediante la tecnica LSP. El anexo IV resume del comportamiento de solidos sometidos a ondas de choque (adaptado de la referencia [MORALES04]). Hay que destacar el hecho de que la mayoría de los resultados de esta Tesis se han obte¬nido dentro de los Proyectos de Investigacion "Desarrollo e Instrumentacion de Procesos de Tratamiento Superficial de Materiales Metalicos con Ondas de Choque Generadas por Laser como Metodo de Mejora de su Resistencia a la Fatiga (SHOCKLAS2)" (DPI2001- 3669) y "Desarrollo, instrumentacion y caracterizaciín experimental de aplicaciones de la tecnología de tratamiento superficial de materiales metalicos por ondas de choque generadas por laser (LSP) (SHOCKLAS3)" (DPI2005-09152-C02-01) ambos financiados por el Ministerio de Ciencia y Tecnología/Ministerio de Educacion y Ciencia/Ministerio de Ciencia e Innovacion y en colaboracion con EADS - CASA España. Asimismo, el doctorando ha disfrutado de una beca FPI para la realizacion de la presente Tesis. ud