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https://hdl.handle.net/1822/75396
Título: | The importance of Ag content for optimizing the machining performance of Ti-Si-(Ag)-N coating |
Autor(es): | Carvalho, Diogo Albano Cavaleiro Ventura |
Orientador(es): | Carvalho, S. Fernandes, Filipe |
Palavras-chave: | TiSiN(Ag) Estrutura Tribologia Maquinagem Lubrificante sólido Structure Tribology Machining Solid lubricant |
Data: | 6-Mai-2021 |
Resumo(s): | Nesta tese, foram depositados revestimentos do sistema TiSiN com incorporação de prata como agente
lubrificante utilizando a técnica de high power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) a trabalhar em
deep oscillations magnetron sputtering (DOMS), de forma a avaliar o seu comportamento químico,
estrutural, morfológico, mecânico, térmico e tribológico. A sua performance numa operação de
maquinagem foi também estudada de forma a determinar a potencial aplicação destes revestimentos
em ferramentas de corte para maquinar a liga aerospacial TiAl6V4, considerada “difícil de maquinar”. A
matriz de TiSiN foi escolhida pelas sua bem conhecida elevada dureza e resistência à oxidação e também
pela barreira de difusão proporcionada pela fase SiN que poderá ajudar a travar a rápida difusão da
prata.
O conteúdo de prata presente nos revestimentos foi de 0 a 29 at.%, sendo que um filme de TiSiN, sem
qualquer prata, foi também depositado que serviu de referência ao longo desta tese. Durante as
deposições, a introdução de pellets de prata no alvo foi aumentando, progressivamente, o teor de prata
nos revestimentos levando a que influenciasse a taxa de deposição, a estrutura e a morfologia dos filmes.
Todos os revestimentos apresentaram picos cristalinos na análise de difração de raios X, atribuídos à
estrutura cfc TiN tipo NaCl. A adição de prata contribuiu significativamente para o alargamento desses
mesmos picos e para o decréscimo abrupto do tamanho de grão das cristalites de TiN. A adição de prata
levou também a um decréscimo da dureza e do módulo de Young dos revestimentos devido ao crescente
aumento da fase macia na microestrutura.
O recozimento dos filmes em atmosfera protetora não promoveu quaisquer mudanças significativas na
estrutura/composição fásica ou nas propriedades mecânicas. A prata nos filmes continuou
homogeneamente distribuída na matriz. O recozimento em atmosfera oxidante permitiu anotar, através
da difração de raios X in-situ a alta temperatura, os primeiros sinais de oxidação aos 850 ºC com o
aparecimento dos picos de rutilo TiO2. Nas partes que ficaram por oxidar dos revestimentos, a prata
continuou homogeneamente distribuída na matriz. A análise termogravimétrica confirmou que a adição
de prata não teve qualquer influência no ponto de inicio de oxidação. No entanto, mostrou que a
velocidade com que a oxidação ocorre se deteriora, claramente, com a introdução de prata. Uma
incomum perda de massa foi também descoberta na análise dos revestimentos com 6 e 10 at.% de
prata, explicado pela evaporação/sublimação da prata.O comportamento tribológico dos revestimentos foi aferido a altas temperaturas e com dois tipos
diferentes de contra corpos (bolas de alumina e TiAl6V4). Os testes conduzidos à temperatura ambiente
contra as bolas de alumina mostrou um ligeiro decréscimo no coeficiente de atrito mas, ao mesmo
tempo, uma deterioração da resistência ao desgaste. Esta resistência é melhorada á temperatura
acrescida de 600 ºC, quando comparado com os seus equivalentes à temperatura ambiente. Os testes
contra as bolas de TiAl6V4 mostraram a prata a apresentar um efeito benéfico na redução do atrito e do
desgaste. Foi ainda observado que a prata diminui e/ou atrasa a adesão de material à superfície de
desgaste. Estes resultados começaram a indiciar a promissora aplicação destes revestimentos em
ferramentas de corte para a maquinagem de ligas de titânio.
Finalmente, dois tipos diferentes de insertos foram testados no torneameanto, a seco, da liga aerospacial
TiAl6V4. Um dos tipos de insertos foi testado em ambiente laboratorial com um torno mecânico,
enquanto que o outro tipo foi testado numa máquina CNC. Estes últimos foram testados para serem
comparados e referenciados em relação a um revestimento comercial de AlTiN. Em ambos os casos, o
comportamento foi semelhante com a adição de prata a mostrar uma clara melhoria no tempo de vida
dos insertos, especialmente para as velocidades de corte mais altas. A prata mostrou ainda o seu efeito
como lubrificante sólido ao reduzir o desgaste e a formação de built-up edges (BUE). No geral, esta tese
atingiu e mostrou o potencial da aplicação dos revestimentos TiSiN(Ag) em ferramentas de corte para
usar na maquinagem da liga aerospacial TiAl6V4, sem a aplicação de qualquer lubrificante líquido. TiSiN coatings with incorporation of silver serving as the lubrication agent, were deposited by high power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) working in deep oscillation magnetron sputtering (DOMS) mode in order to evaluate the chemical, structural, morphological, mechanical and thermal behaviour. The tribological and machining performance was also assessed to determine the potential application of these coatings in cutting tools to machine the hard-to-cut TiAl6V4 aerospace alloy. TiSiN matrix was selected owing to its well-known high hardness and oxidation resistance and due to reported diffusion barrier property of the SiN phase that could help hindering the fast diffusion of the silver. Silver content on the coatings ranged from 0 to 29 at.% with a TiSiN film also being deposited to serve as the reference throughout the whole characterization. During the depositions, the introduction of silver pellets on the target progressively increased the Ag concentration on the films, influencing the deposition rate, structure and morphology of the films. All the coatings displayed crystalline peaks assigned to a TiN fcc NaCl type structure. Ag additions significantly broadened these TiN diffraction peaks and abruptly decreased the grain size of the TiN crystallites. Hardness and Young's modulus of the coatings decreased with increasing Ag additions mainly due to the increase of this soft phase on the microstructure. Annealing treatment in protective atmosphere didn't promote any significant changes in the structure/phase composition or mechanical properties of the coatings. The silver signal kept being homogeneously distributed on the coatings. When oxidative atmosphere was present, in-situ hightemperature X-ray diffractograms allowed to observe the first signs of oxidation occurring at about 850 °C with the appearance of the rutile TiO2 peaks. Observation of even distribution of silver was still possible on the un-oxidized part of the films. TGA analysis showed that silver addition did not change the onset point of oxidation of the coatings. However, the oxidation rate deteriorated with the presence of Ag. An unusual mass loss could be observed for the coatings with 6 and 10 at.% of Ag, as a result of silver evaporation/sublimation process. The tribological behaviour of the coatings was assessed at high temperatures and by using two different types of counterbodies (alumina and TiAl6V4 balls). Room temperature (RT) tests conducted against alumina balls showed that silver slightly decreases the friction but deteriorates the wear resistance. Wear resistance is improved when the temperature is increased to 600 °C, when compared to RT tests. The tests against TiAl6V4 balls showed that silver has a beneficial effect in the reduction of friction and wear. Additionally, silver hinders the adhesion of material to the wear track. Temperature also plays an important role in propelling the effects of silver. These results started to show the promising application of these coatings in cutting tools to machine titanium alloys. Finally, two type of cutting inserts were tested in the dry turning of the TiAl6V4 aerospace alloy. First type of cutting inserts were tested in laboratorial environment using a conventional lathe, whilst, second types of inserts were tested in an CNC machine. Tests in the CNC machine were performed to assess their performance benchmarked in relation to a commercial insert coated with AlTiN coating. In both of these tests, the same behaviour was found with the addition of silver clearly displaying an improvement in the tool life of the inserts, especially for higher cutting speeds. Addition of silver also showed its solid lubricant effect by reducing either the wear or the formation of built-up edges (BUE) during the tests. Ultimately, this thesis achieved and showed the potential application of TiSiN(Ag) coatings in cutting tools for the machining of the TiAl6V4 aerospace alloy under dry conditions. |
Tipo: | Tese de doutoramento |
Descrição: | Programa Doutoral em Engenharia de Materiais |
URI: | https://hdl.handle.net/1822/75396 |
Acesso: | Acesso aberto |
Aparece nas coleções: | CDF - GRF - Teses de Doutoramento/PhD Thesis |
Ficheiros deste registo:
Ficheiro | Descrição | Tamanho | Formato | |
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Tese final com correções_ Diogo Carvalho.pdf | 7,5 MB | Adobe PDF | Ver/Abrir |
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