Revestimentos diamond-like carbon com flúor e silício depositados via PACVD em substrato de AISI316L

Abstract

A engenharia de superfície é uma disciplina dedicada ao estudo e modificação das propriedades superficiais dos materiais, com o objetivo de aprimorar a funcionalidade dos sistemas de engenharia. Isso pode envolver a adição de filmes ou camadas para alterar as propriedades da superfície, melhorando assim o desempenho e a vida útil dos materiais. À medida que o conhecimento e as técnicas de fabricação avançam, superfícies multifuncionais, capazes de desempenhar várias funções de engenharia, estão se tornando cada vez mais viáveis e econômicas. Este trabalho concentra-se no estudo das propriedades dos filmes Diamond-Like Carbon (DLC) aplicados em aço inoxidável AISI 316L nitretados e carbonitretados a baixa temperatura. Com o objetivo de modificar as propriedades e obter superfícies diferentes resistências ao desgaste, corrosão e adesão. Os filmes DLC podem ser amplamente modificados pelas condições de processamento, resultando em uma variedade de propriedades. Uma das vias de modificação passa pela adição de elementos dopantes. Através da deposição química assistida por plasma (PACVD), foram depositados filmes DLC ricos em flúor e silício, utilizando os gases precursores tetrafluoretano e hexametildisiloxano. Várias técnicas de caracterização foram empregadas para avaliar as propriedades dos filmes, permitindo a determinação de mudanças estruturais, microestruturais, topográficas, físico-químicas e mecânicas. Além disso, o desempenho tribológico e eletroquímico dos filmes também foi avaliado. Os resultados são apresentados e discutidos, abordando aspectos como a escolha das topografias estudadas, resultantes dos processos de polimento, lixamento, eletropolimento e jateamento. As características de dureza e espessura da camada de suporte são cruciais para otimizar o desempenho e estabilidade dos filmes DLC no substrato de aço inoxidável austenítico. Além disso, o efeito da textura gerada pelo eletropolimento na redução do coeficiente de atrito foi evidenciado. A modificação dos filmes com dopantes permitiu o aumento da taxa de deposição e espessura dos filmes, bem como a modificação da energia livre de superfície e do mecanismo de molhabilidade. A adição de silício induziu mudanças estruturais significativas, tornando os filmes mais hidrogenados e com características de filmes Polymer-like Carbon. Essas mudanças estruturais afetaram negativamente o desempenho tribológico, aumentando o coeficiente de atrito e diminuindo a durabilidade dos filmes a-C:H:Si. Por outro lado, a adição de flúor, apesar de ter provocado poucas modificações estruturais, teve um forte impacto na dureza dos filmes, mostrando uma relação inversamente proporcional entre a dureza e o teor de flúor presente no filme. No entanto, o desempenho tribológico dos filmes a-C:H:F manteve-se similar ao do filme a-C:H não dopado, com durabilidades de cerca de 9.104 Nm, devido aos menores coeficientes de atrito obtidos e à maior espessura final dos filmes. Os coeficientes de atrito para os filmes fluorados foram até 45% menores que os filmes a-C:H, comparando-se superfícies com o mesmo acabamento. Os melhores desempenhos à corrosão foram obtidos para os filmes com maior teor de elementos dopantes, sendo possível incrementar a resistência à corrosão para todos os tipos de rugosidade. Os revestimentos dopados permitiram obter reduções da densidade de corrente de corrosão de até 100 vezes. Já a combinação de tratamento termoquímico junto do efeito de barreira, elevaram os potenciais de transpassivação, para valores superiores 0,5 VECS.

Abstract: Surface engineering is a field dedicated to studying and modifying the surface properties of materials, aiming to enhance the functionality of engineering systems. This can involve adding films or layers to change the surface properties, thereby improving the performance and lifespan of materials. As knowledge and manufacturing techniques progress, multifunctional surfaces capable of performing various engineering functions are becoming increasingly feasible and economical. This work studies the properties of Diamond-Like Carbon (DLC) films applied to low-temperature nitrided and carbonitrided AISI 316L stainless steel, with the goal of modifying the properties and obtaining different resistances to wear, corrosion, and adhesion. DLC films can be extensively modified by processing conditions, resulting in a variety of properties. Fluorine and silicon-rich DLC films were deposited using plasma-assisted chemical vapor deposition (PACVD), utilizing the precursor gases tetrafluoroethane and hexamethyldisiloxane. A variety of characterization techniques were employed to evaluate the film properties, allowing for the determination of structural, microstructural, topographical, physicochemical, and mechanical changes. Additionally, the tribological and electrochemical performance of the films was evaluated. The results are presented and discussed, addressing aspects such as the choice of studied topographys, resulting from polishing, sanding, electropolishing, and blasting processes. It became evident that the hardness and thickness characteristics of the support layer are crucial for optimizing the performance and stability of DLC films on the austenitic stainless steel substrate. Moreover, the effect of the texture generated by electropolishing in reducing the friction coefficient was evidenced. The modification of the films with dopants increased the deposition rate and film thickness, as well as the modification of the surface free energy and the wettability mechanism. The addition of silicon induced significant structural changes, making the films more hydrogenated and with Polymer-like Carbon film characteristics. These structural changes negatively affected the tribological performance, increasing the friction coefficient and decreasing the durability of the a-C:H:Si films. On the other hand, the addition of fluorine, despite causing few structural modifications, had a strong impact on the hardness of the films, showing an inversely proportional relationship between hardness and the fluorine content present in the film. However, the tribological performance of the a-C:H:F films remained similar to that of the undoped a-C:H film, with a scuffing resistance of about 9.104 N.m, due to the lower friction coefficients obtained and the greater final thickness of the films. The friction coefficients for the fluorinated films were up to 45% lower than the a-C:H films, comparing surfaces with the same finish. The best corrosion performances were obtained for the films with the highest content of doping elements, making it possible to increase corrosion resistance for all types of roughness. The doped coatings allowed for reductions in the corrosion current density of up to 100 times. The combination of thermochemical treatment along with the barrier effect elevated the transpassivation potentials to values above 0.5 VECS.