Avaliação da resistência ao desgaste microabrasivo das ligas de titânio Ti-12Cr e Ti-22Nb-6Zr obtidas por metalurgia do pó e recobertas com revestimento de diamante DLC

Abstract

Devido a uma combinação única de propriedades desejáveis, o titânio e suas ligas têm sido amplamente utilizados em inúmeras aplicações aeroespaciais, biomédicas, químicas, marinhas e equipamentos esportivos. Tais propriedades mecânicas incluem alta relação resistência-peso, excelente resistência à corrosão, baixa densidade, alta tenacidade e excelente biocompatibilidade. Contudo, as ligas de titânio exibem baixa resistência ao desgaste abrasivo, limitando sua aplicação. O tratamento de superfície adequado expande o uso destes materiais, sendo um dos métodos mais eficientes e eficazes para melhorar a resistência ao desgaste. Os filmes de DLC (diamond-like carbon) apresentam um comportamento muito promissor, com excelentes propriedades mecânicas, tribológicas e biocompatíveis. O objetivo principal deste trabalho é estudar a influência da deposição de revestimento de carbono tipo diamante (DLC) na resistência ao desgaste microabrasivo das ligas de titânio Ti-12Cr (amostras TC1 e TC4) e Ti-22Nb-6Zr (amostras TNZ1 e TNZ4) produzidas por metalurgia do pó. As amostras nestas composições foram primeiramente sinterizadas, gerando substratos para deposição de filmes. Estes substratos foram em seguida analisados por difratometria de raios-x, apresentando as fases α-Ti e β-Ti. Não foram detectados intermetálicos dos sistemas TiCr e TiNbZr ao nível de resolução do difratômetro usado. As analises via microscopia eletrônica de varredura destes substratos mostraram microestruturas homogêneas, com baixa porosidade e alta densificação. Em ambos as composições, prevaleceram lamelas e grãos colunares bem definidos da fase alfa e matriz composta por fase β. Mapeamentos espectrais via EDS visando identificar a distribuição dos elementos nas amostras demonstraram concentração dos elementos beta- estabizadores (Nb e Cr) na matriz beta. Os revestimentos com filmes DLC foram efetuados nos substratos por PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition), gerando filmes com duas diferentes espessuras em cada liga. Ensaios de desgaste microabrasivo por esfera livre foram realizados nas amostras utilizando-se suspensão abrasiva de alumina (Al2O3) com concentração de 0,4 g/cm3 em água destilada e velocidade entre a superfície da esfera e a amostra de aproximadamente 0,195 m.s-1. Foram estudados também 5 diferentes modelos de equações de desgaste com intuito de verificar o que melhor se ajusta com os resultados obtidos experimentalmente, a partir dos coeficientes de determinação e correlação. Nas amostras recobertas com DLC e submetidas a ensaios microabrasivos, foram realizadas caracterizações por microscopia eletrônica de varredura (MEV), microdureza Vickers, ensaios de aderência dos filmes por endentação Rockwell C, microscopia confocal a laser e óptica, microscopia de força atômica (MFA) e espectroscopia Raman. As espessuras dos filmes depositados foram de 0,487μm para as amostras TC1 e TNZ1(filmes mais finos)e 4,23 μm para as amostras TC4 e TNZ4 (filmes espessos).Um dos 5 métodos de avaliação de desgaste (Método de Allsopp Vc/Vs) mostrou-se como o melhor modelo para a determinação dos coeficientes de desgaste para o conjunto de dados obtidos, uma vez que apresentou os coeficientes de determinação e de correlação mais próximos de 1 dentre os métodos propostos; os valores dos coeficientes de desgaste dos revestimentos Kc (método Allsopp Vc/Vs) foram 40,35% menores para a condição TNZ4 em relação ao Kc da condição TNZ1 e 53,14% menores para a condição TC4 em relação ao Kc da condição TC1, respectivamente. Portanto, os filmes mais espessos, por apresentarem menores coeficientes de desgastes, mostraram-se mais resistentes ao desgaste. Prevaleceu nestes filmes mais espessos o desgaste a três corpos, com rolamento das partículas abrasivas durante o ensaio, que é menos agressivo. Já nos filmes com menores espessuras de DLC (TNZ1 e TC1), preponderou o desgaste no modo abrasivo, mais agressivo, a dois corpos, por riscamento, onde partículas abrasivas permanecem aderidas à amostra durante o ensaio. Filmes de DLC depositados por PECVD em ligas de titânio Ti-22Nb-6Zr e Ti-12Cr produzidas por metalurgia do pó apresentam excelente desempenho tribológico nos ensaios de desgaste microabrasivo, quando comparado aos resultados obtidos para a resistência ao desgaste dos substratos sem recobrimento. Tanto os filmes mais finos (TNZ1 e TC1) quanto os mais espessos (TNZ4 e TC4) não apresentaram desplacamento dos filmes nos testes aderência por indentação Rockwell C, previstos na norma VDI 3198. Estes resultados demonstraram que o processo PECVD usado na deposição dos filmes DLC produziu fortes ligações interfaciais filmes- substratos. Os índices de qualidade dos pares filmes-substratos alcançaram a condição HF-2 da norma supracitada, indicativo de boa aderência, mesmo considerando-se que durante o teste de aderência ocorreu expressiva deformação nos substratos macios das ligas de titânio, sem provocar delaminação dos filmes. Os resultados da analise Raman demonstram que a deposição PECVD usada neste trabalho foi efetiva, produzindo compostos de carbono mistos sp2 e sp3, característicos de filmes carbono tipo diamante, para ambas as espessuras de revestimentos. Desta forma, os filmes em ambas as espessuras forneceram boa qualidade estrutural, homogeneidade na rugosidade superficial Ra, alta dureza, excelente aderência filme-substrato. O filme mais espesso apresentou maior resistência ao desgaste microabrasivo