Estudo da aderência e do coeficiente de atrito de filmes de DLC em Ti-6Al-4V com deposição de interface de silício para aplicação espacial

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Dubrazkha Carolina Lugo González
Data de Publicação: 2017
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE
Texto Completo: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2017/03.08.20.47
Resumo: O estudo de filmes de Diamond-like Carbon (DLC) é de grande interesse devido às excelentes propriedades mecânicas e tribológicas que possibilitam a utilização dos filmes de DLC como revestimentos protetores em diferentes aplicações industriais, biomédicas e espaciais. No entanto, a grande desvantagem destes filmes é a baixa aderência quando são depositados sobre alguns substratos metálicos devido ao estresse compressivo gerado no processo de deposição e às diferenças do coeficiente de dilatação térmica entre o filme e o substrato utilizado. Esta linha de pesquisa tinha como objetivo principal obter filmes de DLC com elevada aderência sobre o substrato de liga de titânio Ti-6Al-4V, assim como filmes com baixo coeficiente de atrito para aplicações espaciais. Os filmes de DLC foram depositados sobre o substrato com a utilização da técnica PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) - DC pulsada modificada com a incorporação de um cátodo adicional que permite deposição de filmes com pressões em torno de 10$^{-3}$ Torr. Para o estudo da aderência foram realizadas variações na tensão e largura de pulso da fonte de polarização para a deposição de diferentes interfaces de silício amorfo. Logo, foi estabelecida a condição de aderência aceitável entre filmes de DLC e o substrato da liga de titânio Ti-6Al-4V. Também foram realizadas variações da tensão de deposição dos filmes de DLC com o objetivo de variar o conteúdo de hidrogênio. Foi avaliada a aderência dos filmes com a utilização do padrão VDI 3198 e com testes de riscamento. Para avaliar a composição química dos filmes foram utilizadas técnicas nucleares de feixe iônico. O coeficiente de atrito dos filmes foi avaliado no modo recíproco em pressão atmosférica e de alto vácuo. Os resultados mostraram que entre todas as metodologias de deposição de interface de silício, a que apresentou maior aderência foi a camada depositada com tensão de polarização de - 0,95 kV com a utilização de uma fonte de 20 kHz e largura de pulso de 20 $\mu$s. Foi possível obter filmes de DLC com teor de hidrogênio de até 40 \% e com baixo coeficiente de atrito em alto vácuo e condições de pressão atmosférica. Também foram obtidos filmes com elevada dureza e com baixo coeficiente de atrito nas duas atmosferas testadas. Os resultados mostraram a grande potencialidade dos filmes de DLC para aplicação espacial devido a sua elevada aderência, elevada qualidade estrutural e baixo coeficiente de atrito.
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No entanto, a grande desvantagem destes filmes é a baixa aderência quando são depositados sobre alguns substratos metálicos devido ao estresse compressivo gerado no processo de deposição e às diferenças do coeficiente de dilatação térmica entre o filme e o substrato utilizado. Esta linha de pesquisa tinha como objetivo principal obter filmes de DLC com elevada aderência sobre o substrato de liga de titânio Ti-6Al-4V, assim como filmes com baixo coeficiente de atrito para aplicações espaciais. Os filmes de DLC foram depositados sobre o substrato com a utilização da técnica PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) - DC pulsada modificada com a incorporação de um cátodo adicional que permite deposição de filmes com pressões em torno de 10$^{-3}$ Torr. Para o estudo da aderência foram realizadas variações na tensão e largura de pulso da fonte de polarização para a deposição de diferentes interfaces de silício amorfo. Logo, foi estabelecida a condição de aderência aceitável entre filmes de DLC e o substrato da liga de titânio Ti-6Al-4V. Também foram realizadas variações da tensão de deposição dos filmes de DLC com o objetivo de variar o conteúdo de hidrogênio. Foi avaliada a aderência dos filmes com a utilização do padrão VDI 3198 e com testes de riscamento. Para avaliar a composição química dos filmes foram utilizadas técnicas nucleares de feixe iônico. O coeficiente de atrito dos filmes foi avaliado no modo recíproco em pressão atmosférica e de alto vácuo. Os resultados mostraram que entre todas as metodologias de deposição de interface de silício, a que apresentou maior aderência foi a camada depositada com tensão de polarização de - 0,95 kV com a utilização de uma fonte de 20 kHz e largura de pulso de 20 $\mu$s. Foi possível obter filmes de DLC com teor de hidrogênio de até 40 \% e com baixo coeficiente de atrito em alto vácuo e condições de pressão atmosférica. Também foram obtidos filmes com elevada dureza e com baixo coeficiente de atrito nas duas atmosferas testadas. Os resultados mostraram a grande potencialidade dos filmes de DLC para aplicação espacial devido a sua elevada aderência, elevada qualidade estrutural e baixo coeficiente de atrito.The study of Diamond-like Carbon (DLC) films is of great interest due to their excellent mechanical and tribological properties that allow the use of DLC films as protective coatings in different applications such as industrial, biomedical, and spatial. However, the great disadvantage of these films is their low adhesion when they are grown on metallic substrates due to the high compressive stress that arises during film deposition process and the differences of the thermal expansion coefficient between the film and the substrate. This research aimed mainly to obtain DLC films with high adhesion on a Ti-6Al-4V titanium alloy substrate and with low friction coefficient for space applications. The DLC films were deposited on the substrate using the PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) - DC pulsed technique modified with an incorporation of an additional cathode that enables films deposition at very low pressures around 10$^{-3}$Torr. For the adhesion study, amorphous silicon interfaces were deposited with different voltages and with different pulse widths of the polarization source.Then, it was established the acceptable adhesion condition between DLC films and the Ti-6Al-4V titanium alloy substrate. Furthermore, a variation of the deposition voltage of the DLC films was carried out in order to vary the hydrogen content of the films. The adhesion of the films was evaluated using the standard VDI 3198 and the critical load obtained by scratch tests. Nuclear techniques of ionic beam were used to evaluate the chemical composition of the films. The friction coefficient of the films was evaluated in reciprocating mode in ambient and high vacuum atmospheres. The results showed that among all the silicon interface deposition methodologies the one that presented the highest adhesion was the layer deposited with bias voltage of - 0.95 kV and a power supply at 20 kHz with a pulse width of 20 $\mu$s. It was possible to obtain DLC films with a hydrogen content up to 40\% and with low friction coefficient under high vacuum and atmospheric pressure conditions. Results showed that DLC films can act as solid lubricants for spatial applications due to their high adhesion, high structural quality, and low friction coefficient in vacuum and environmental conditions.http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2017/03.08.20.47info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPEinstname:Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)instacron:INPE2021-07-31T06:55:18Zoai:urlib.net:sid.inpe.br/mtc-m21b/2017/03.08.20.47.39-0Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://bibdigital.sid.inpe.br/PUBhttp://bibdigital.sid.inpe.br/col/iconet.com.br/banon/2003/11.21.21.08/doc/oai.cgiopendoar:32772021-07-31 06:55:18.872Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)false
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