ANÁLISE DE PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS EM LIGAS À BASE DE TITÂNIO TRATADAS PELO MÉTODO DE IMPLANTAÇÃO IÔNICA POR IMERSÃO EM PLASMA.

W2241497731 · 수집 2026-10-04 18:12:22

T10377 Metal and Thin Film Mechanics

CoT 라벨링

라벨링 전

PDF 파일

자동 다운로드한 PDF PDF 보기

기본 정보

DOI 제목 발행년도 저널 URL 페이지 열기 PDF URL PDF 열기 발행기관 피인용수 라이선스

추가 정보 초록 본문

# ANÁLISE DE PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS EM LIGAS À BASE DE TITÂNIO TRATADAS PELO MÉTODO DE IMPLANTAÇÃO IÔNICA POR IMERSÃO EM PLASMA.

V. M. MEIRELES 1, 2, B. B. FERNANDES 1, M. UEDA 1, A. S. RAMOS 3

1 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, LAP/INPE
2 Universidade Vale do Paraíba, UNIVAP
3 Universidade Federal de Alfenas, UNIFAL
E-mail para contato: viniciusmmeireles@gmail.com

RESUMO – Ligas contendo titânio em sua estrutura são excelentes materiais
utilizados em aplicações industriais que exigem elevada resistência à corrosão e às
tensões mecânicas. No entanto, possuem suas limitações e, a fim de ampliar sua
durabilidade, o presente estudo descreve o tratamento de ligas de titânio através da
implantação iônica por imersão em plasma. Quando são submetidas a testes de
corrosão e tribológicos, verifica-se que melhores resultados são adquiridos após a
formação de camadas de nitretos na superfície das amostras. Análises de difração
de raios-X e de espectroscopia por dispersão de elétrons permitiram a
identificação química de tais superfícies.

## 1. INTRODUÇÃO

O titânio e suas ligas têm sido frequentemente utilizados em indústrias automobilísticas,
aeroespaciais, marinhas, biomédicas e esportivas, devido à sua boa resistência a tensões
mecânicas e a temperaturas elevadas. O principal interesse em aprimorar estas ligas está
relacionado ao aumento de sua durabilidade e ampliar suas aplicações em diversos setores
industriais, mesmo que já possuam boas condições de adaptação a ambientes agressivos, tais
como altas tensões mecânicas e temperaturas elevadas (da Silva _et al.,_ 2006). De acordo com
Zhecheva _et al._ (2005), Gorynin (1999) e Gurrappa (2003), as ligas de titânio são uma das
mais importantes utilizadas na engenharia, pois possuem baixa densidade, alto ponto de fusão,
baixo coeficiente de expansão térmica e são altamente resistentes à corrosão e à fadiga.
Apesar das vantagens citadas anteriormente, essas ligas possuem baixa resistência ao desgaste
e alto coeficiente de atrito, limitando seu uso em certas áreas, principalmente em certas
aplicações biomédicas.

Com o intuito de melhorar as características da superfície das ligas, sem alterar suas
propriedades volumétricas, a implantação iônica por imersão em plasma, mais conhecida
como 3IP, faz parte de um grupo de tecnologias a fim de atingir tais propósitos. É uma técnica
que permite o tratamento superficial de peças de geometrias complexas, podendo ser
aplicados em ambientes quimicamente agressivos, garantindo ao material um aumento na
dureza e na resistência à corrosão e ao desgaste (Mello _et al_, 2009; da Silva _et al_, 2006). A
implantação consiste no bombardeamento da amostra por íons em uma câmara de vácuo, onde

se produz o plasma. A amostra é pulsada com altas voltagens negativas (2 – 300 kV), a fim de
atrair os íons positivos para a superfície. Parâmetros como temperatura e tempo de tratamento
influenciam na formação e espessura das camadas implantadas na superfície das ligas. No
presente trabalho, almeja-se a comparação de tais propriedades entre as ligas não-tratadas e
tratadas superficialmente por implantação iônica por imersão em plasma (3IP) de nitrogênio,
afim de expandir a utilização destas ligas de titânio para outras aplicações diferentes das
atuais.

## 2. MATERIAIS E MÉTODOS

As ligas de Ti-6Al-4V são ligas comerciais, obtidas em barras, sendo posteriormente
cortadas para os testes e análises. Os principais materiais utilizados foram: solução de sílica
coloidal (para o banho de ultrassom), lixas de carbeto de sílicio, pasta de diamante (para o
polimento das peças), fios de tungstênio (suporte para a fixação das peças dentro da câmara
de tratamento) e solução de cloreto de sódio (utilizada para os testes de corrosão).

As peças foram cortadas com disco de diamante nas dimensões 1,8x1,75x2,5mm
(largura, espessura e comprimento) e em seguida lixadas e polidas para a obtenção de uma
superfície espelhada com poucos riscos. As amostras foram limpas em banho de ultrassom
(durante 15 minutos) para o tratamento subsequente de plasma. Para a implantação pelo
método de 3IP, as ligas de titânio foram fixadas por fios de tungstênio, que desempenha o
papel do ânodo de descarga, sendo polarizado positivamente por tensões de corrente contínua
de 700V em relação à parede da câmara aterrada. Um catodo de óxido termiônico gerou
elétrons primários auxiliando na quebra de descarga luminescente, que ocorre à faixa de
pressão de 10 -5 Torr, adequado para a técnica de 3IP. Os parâmetros do tratamento são citados
na tabela 1:

Tabela 1 - Parâmetros utilizados para o tratamento por 3IP

Fonte CC Filamento CA
Tensão(V) Corrente (A) Tensão (V) Corrente (A)

Pulsos
(kV;μs;Hz)

Tempo

(min.)

Temperatura

Tensão(V) Corrente (A) Tensão (V) Corrente (A) (kV;μs;Hz) (min.) (ºC)

80-150 0,2-1,3 5-5,4 10-16 7;30;400 60 850

A fim de obter a análise das fases presentes em regiões superficiais das ligas,
medições feitas através de difração de raios X (DRX) foram realizadas em um difratômetro
Philips (modelo PW3719) no modo padrão de 2θ (voltagem a 40 kV e corrente a 45 mA). A
caracterização morfológica da estrutura das peças tratadas e não tratadas por 3IP, foram
realizadas através da microscopia eletrônica de varredura (MEV), utilizando também, EDS
para determinar a composição química presente nas amostras. Ensaios de desgaste foram
realizados em um tribômetro do tipo _pin-on-disc_ .

A resistência à corrosão das ligas foi testada em solução de NaCl 3,5% (em massa),
com pH = 6. Os testes foram realizados através da utilização do equipamento Autolab
PGSTAT302N. Foi utilizada uma célula eletrolítica convencional com três eletrodos, um
eletrodo de referência de Ag/AgCl, e um fio de platina como contra-eletrodo. A tensão variou
de -1,0 a 1,5 V com taxa de varredura de 1,0 mV/s.

## 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Através de DRX, é possível realizar a análise das fases presentes nas ligas de Ti-6Al4V, antes e após o tratamento por 3IP. Foram utilizadas seis amostras na análise, sendo as
ligas não tratadas por 3IP identificadas como TAV (1 e 2), iguais entre si, e as que receberam

- tratamento foram denominadas como PIII (1, 2, 3 e 4), sendo 30mm a distância entre as
peças dentro da câmara de tratamento. Os gráficos foram obtidos em duplicata para facilitar a
visualização dos picos das fases presentes nas ligas, de acordo com os difratogramas da
Figura 1:

Figura 1 - Difratogramas de raios-X antes e após o tratamento por 3IP.

A amostra PIII 1 encontrava-se mais próxima ao emissor de elétrons durante a
implantação iônica e PIII 4, a mais distante. A distância do emissor de elétrons para o
tratamento resultou em diferentes intensidades nos picos das fases dos nitretos (localizados
entre os ângulos 39º e 40º) e espessura no revestimento das amostras (variando entre 1 a
2µm). Na superfície das ligas sem o tratamento há a presença majoritária da fase Tiα
(estrutura hexagonal compacta) e minoritária da fase Tiβ (estrutura cúbica de face centrada).
Em PIII 1, o pico de TiN encontra-se em maior intensidade do que nas outras amostras
analisadas. Em PIII 2, os picos das fases TiN e Ti2N encontram-se em valores próximos de
intensidade, com menor valor de intensidade de TiN, quando comparada com PIII 1. Em PIII
3, a presença de Ti2N aumenta, com a consequente diminuição na intensidade da fase TiN. E
na amostra PIII 4, a intensidade da fase TiN diminui bruscamente, conferindo à liga maior
intensidade da fase Ti2N. A diminuição de alguns picos da fase Tiα nas ligas tratadas por 3IP
deve-se à sua presença em menor quantidade na superfície e pela formação de nitretos a partir
de átomos de titânio de planos cristalográficos específicos.

Análises obtidas através de MEV demonstram uma alteração significativa na
morfologia da superfície, tornando as ligas mais rugosas após o tratamento, conforme a
Figura 2. A maior presença de poros nas ligas tratadas deve-se à heterogeneidade da

superfície, sendo esta proveniente da implantação de nitrogênio na superfície durante o
tratamento.

Figura 2 - Imagens obtidas no MEV das ligas de Ti-6Al-4V

(a) não tratada                   (b) tratada por 3IP

Utilizando espectroscopia por dispersão de elétrons (EDS), foi possível quantificar
que as ligas tratadas apresentaram, em média, 41,98% (at.) de titânio, 1,5% (at.) de alumínio e

- vanádio não foi detectado nas camadas superficiais. O tratamento por 3IP também garantiu
às ligas significativa redução no coeficiente de atrito e na taxa de desgaste. As amostras
apresentaram diferentes valores nos ensaios de tribologia, devido à distância de cada amostra
a partir do emissor de elétrons durante a implantação, de acordo com a Figura 3.

Figura 3 - Ensaio de tribologia das ligas Ti-6Al-4V.

1, ~~0~~

Sem tratamento

Tratada por 3IP mais próxima ao emissor
Tratada por 3IP mais distante ao emissor

0, ~~8~~

0, ~~6~~

0, ~~4~~

0, ~~2~~

~~0~~ ~~1000~~ ~~2000~~ ~~3000~~ ~~4000~~ ~~5000~~

Rotações

Submetidas a testes de corrosão, as ligas Ti-6Al-4V tratadas por 3IP, demonstraram
um deslocamento de potencial para valores mais positivos e diminuição em grande parte da
região anódica, indicando que a camada de nitreto, proveniente do tratamento, garantiu maior
resistência à corrosão, de acordo com as curvas potenciodinâmicas da Figura 4.

Figura 4 - Curvas Potenciodinâmicas das ligas de Ti-6Al-4V.

1,5 ~~0~~

1,2 ~~5~~

1,0 ~~0~~

0,7 ~~5~~

0,5 ~~0~~

0,2 ~~5~~

0,0 ~~0~~

-0,2 ~~5~~

-0,5 ~~0~~

-0,7 ~~5~~

Tratada por 3IP
Sem tratamento

-1,0 ~~0~~
1E- ~~9~~ ~~1E-8~~ ~~1E-7~~ ~~1E-6~~ ~~1E-5~~ ~~1E-4~~

Densidade de Corrente (A/cm 2 )

## 4. CONCLUSÃO

Após o tratamento por 3IP, o aumento na espessura das camadas de nitretos influencia
diretamente na mudança do coeficiente de atrito e no aumento da resistência ao desgaste e
corrosão. Análises obtidas através da microscopia eletrônica de varredura (MEV) utilizando
EDS possibilitaram obter a quantificação da composição de fases e a morfologia das ligas de
titânio, antes e após o tratamento. Através de raios-X, notou-se que a distância do emissor de
tratamento das ligas influencia diretamente na formação de fases heterogêneas. Conforme a
distância aumenta, menos nitrogênio é inserido na superfície e mais Ti2N é formado em vez
de TiN. Em análises de morfologia comprovou-se que, após o tratamento por 3IP, as ligas
exibem superfícies mais rugosas e maior dureza.

## 5. REFERÊNCIAS

DA SILVA, L.L.G.; UEDA, M.; DA SILVA, M.M.; CODARO, E.N. Effects of plasma

immersion ion implantation (PIII) of nitrogen on hardness, composition and corrosion
resistance of Ti-6Al-4V alloy. _Braz. J. Phys._, v.36, p. 990-993, 2006.

GORYNIN, I.V. Titanium alloys for marine application. _Mater. Sci. Eng._, v. 263, p.112–116,

1999.

GURRAPPA, I. Characterization of titanium alloy Ti-6Al-4V for chemical, marine and

industrial applications. _Mater. Charact.,_ v. 51, p. 131– 139, 2003.

MELLO, C.B.; UEDA, M.; LEPIENSKI, C.M.; REUTHER, H. Tribological changes on

SS304 stainless steel induced by nitrogen plasma immersion ion implantation with and
without auxiliary heating. _Appl. Surf. Sci._, v. 256, p. 1461–1465, 2009.

ZHECHEVA, A.; SHA, W.; MALINOV, S.; LONG, A. Enhancing the microstructure and

properties of titanium alloys through nitriding and other surface engineering methods.
_Surf. Coat. Tech._, v. 200, p. 2192– 2207, 2005.

본문 출처 PDF: PDF 보기 · 다른 PDF는 위 [PDF 업로드]로 올릴 수 있습니다.

활용가능성

이력 0건

아직 편집 이력이 없습니다. 저장할 때마다 이전 내용이 여기에 백업됩니다.