Estudos de interfaces aplicadas por laser cladding para deposição de diamante CVD sobre aço inoxidável

• Ano de defesa: 2017
• Autor(a) principal: André Contin
• Orientador(a): Evaldo José Corat, Getúlio de Vasconcelos
• Banca de defesa: Sérgio Luiz Mineiro, Maurício Ribeiro Baldan, Rudimar Riva, Danilo Maciel Barquete
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores
• País: BR
• Resumo em Inglês: The union of the unique diamond properties (highest hardness, low friction, and high corrosion resistance) with steel (most common substrate material) provides a new solution for steel in critical mechanical and severe environmental conditions. However, CVD (Chemical Vapor Deposition) diamond coating directly on steel comes with several issues. The fundamental reasons for the lack of adhesion are the iron catalytic effect on the formation of graphite bonds, the high carbon solubility in iron at CVD temperature and high mismatch in thermal expansion coefficient of diamond and steel. Several articles describe the PVD (Physical Vapor Deposition) or electroplated interlayer to acts as an intermediate barrier. In the present thesis, the diamond film coated steel with an intermediate barrier deposited by laser cladding. In this novel technique, laser irradiation melts the powder (preplaced) and the substrate surface to create the coating. We used the silicon carbide, titanium and cooper powders. Each powder has a specific role. A thin layer of SiC/Ti promoted the high CVD diamond nucleation and chemical bond to the substrate. A thick layer of SiC/Cu reduced the high residual stress induced by steel substrate. The phases responsible for the diffusion blocking were FeSi and Fe2SiTi. The deposition of diamond films was carried out in an HFCVD reactor (Hot Filament Chemical Vapor Deposition). The samples characterization included X-ray Diffraction (XRD), Raman Scattering Spectroscopy (RSS), Field Emission Gun - Scanning Electron Microscopy (FEG-SEM),) and Rockwell Indentation. Results showed that laser incidence dissociated partially the SiC powder forming Fe2SiTi, FeSi, Cu3Si phases. The results indicated that composite layer the accommodated of the high steel thermal stress. Further, this study introduced laser cladding process as a new method to create interlayers for CVD diamond growth.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2017/06.30.14.48

A união das propriedades únicas do diamante (maior dureza, baixo coeficiente de fricção e elevada resistência a corrosão) com o aço (elevada disponibilidade no mercado e minério com alta ocorrência na natureza) fornece uma nova solução para aplicações de aços em condições mecânicas criticas e em ambientes severos. No entanto, a deposição direta sobre aços produz filmes de baixa qualidade e de baixa adesão. As razões fundamentais para esses problemas são: o efeito catalítico do ferro, alta solubilidade do carbono no aço e a elevada diferença entre os coeficientes de expansão térmica entre o diamante e o aço. A maioria dos trabalhos publicados sobre a aplicação de filmes de diamante sobre aços utilizam os processos de PVD (Physical Vapor Deposition) e eletrodeposição para atuar como camada intermediária de bloqueio difusional. Nessa tese, o filme de diamante foi produzido sobre o aço com uma barreira de difusão depositada pelo processo de laser cladding. Nessa nova técnica, a irradiação do laser funde o pó pré-colocado e a superfície do substrato para criar a camada intermediária. Foram empregados os pós de carbeto de silício, de titânio e de cobre. Cada combinação de pós teve uma determinada função. Uma fina camada de SiC/Ti promoveu uma elevada densidade de nucleação do diamante. Uma espessa camada de SiC/Cu reduziu o estresse induzido pelo aço. As fases responsáveis pelo bloqueio difusional foram FeSi e Fe2SiTi. A deposição dos filmes de diamante foi realizada em um reator HFCVD (Hot Filament Chemical Vapor Deposition). As caracterizações das amostras incluíram as técnicas de Difração de Raios X, Espectroscopia de Espalhamento Raman, Microscopia Eletrônica de Varredura com Emissão de Campo, Indentação Rockwell. Os resultados mostraram que a incidência do laser dissociou parcialmente o pó de SiC formando as fases Fe2SiTi, FeSi e Cu3Si. Os resultados demonstraram que o revestimento intermediário de multicamadas promoveu uma acomodação térmica das tensões residuais no filme de diamante. Além disso, esse projeto introduziu o processo de laser cladding como um novo método para criar intercamadas para o crescimento de diamante CVD sobre aços inoxidáveis 304L.