Análisis de la respuesta mecánica de recubrimientos elaborados mediante proyección térmica por plasma usando la medición de esfuerzos residuales y el método de elementos finitos a escala estructural: efecto de la red de poros Mechanical responses of plasma sprayed coatings from residual stress measurements and finite element analysis: effect of the pore network architecture

En el presente trabajo se estudia la respuesta mecánica de recubrimientos elaborados mediante proyección térmica por plasma ante la presencia de esfuerzos residuales y campos de esfuerzos generados por deformaciones. Para lograr este propósito, se midieron los esfuerzos residuales durante el proceso de elaboración de recubrimientos de TiO2-Cu y se evaluó el efecto de la red de poros en la estructura de la capa obtenida a partir de imágenes de alta resolución de Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) obtenidas de los recubrimientos de Al2O3-13TiO2, las cuales fueron posteriormente procesadas y discretizadas para su análisis mediante el Método de Elementos Finitos (MEF). Algunos parámetros operacionales empleados para elaborar los recubrimientos, tales como el flujo de gases y la corriente eléctrica, necesarios para formar el plasma, mostraron tener influencia en el contenido de poros, densidad de grietas y orientación de las mismas y en la magnitud de los esfuerzos residuales provocados. Los esfuerzos residuales determinados a partir de mediciones de deflexión durante la elaboración de los recubrimientos de TiO2-Cu, permitieron identificar su naturaleza, mientras que las simulaciones numéricas mostraron la gran influencia de la red de poros sobre el campo de esfuerzos de los recubrimientos de Al2O3-13TiO2. Del mismo modo, mediante MEF se evaluaron otras composiciones teóricas a través de la modificación de las propiedades mecánicas intrínsecas de las fases constituyentes. Para los casos considerados, las simulaciones mostraron la pobre influencia que tiene la presencia de los constituyentes secundarios en el campo de esfuerzos de los recubrimientos.This study aims a better understanding residual stress and stress field within composite plasma sprayed coatings submitted to strains. In order to reach out this objective, residual stress techniques can be implemented for measurements during elaboration of coatings and finite element analyses (FEA) can be conducted on domains resulting from the discretization of Scanning Electron Microscopy (SEM) high resolution pictures of coating structures. TiO2-Cu and Al2O3-HTiO2 plasma sprayed coatings were considered for demonstrative purposes regarding residual stress measurements and effect of the pore network architecture, respectively. Several operating parameters permitted to manufacture coatings exhibiting different magnitude of residual stress and several porous architectures, in terms of pore content, crack density and crack orientation. Residual stress determined from measurements of deflection during elaboration of TiO2-Cu coatings allow to identify their nature while numerical simulations show the very significant influence of the network architecture on the stress field within the Al2O3-13TiO2 coatings. Based on the same analyzed structures, other theoretical compositions were considered in the finite element analyses by modifying the intrinsic mechanical properties of the phases. For the considered cases, simulations show the poor influence of the nature of the secondary phase on the stress field within the coatings. Beside these results, the paper proposes a generic methodology and points out its advantages and limits, emphasizing in particular the importance of the representative elementary volume (REV)