Detalhes bibliográficos
| Ano de defesa: |
2017 |
| Autor(a) principal: |
Carla da Silva |
| Orientador(a): |
Mario Ueda,
Carina Barros Mello |
| Banca de defesa: |
Luiz Angelo Berni,
Maria Margareth da Silva |
| Tipo de documento: |
Dissertação
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| Tipo de acesso: |
Acesso aberto |
| Idioma: |
por |
| Instituição de defesa: |
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
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| Programa de Pós-Graduação: |
Programa de Pós-Graduação do INPE em Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
BR
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| Resumo em Inglês: |
Aiming the study of sputtering effects, several surface treatments have been performed using plasma immersion ion implantation (PIII), in the presence of sputtering and deposition inside metal tubes. Among several possible configurations using glow discharges in conductive pipes, this study have been conducted using a hollow cathode as the plasma source, where the cathode has one or two open ends. These configurations allowed the study of plasmas with high confinement and density, in addition to the treatments of the inner surface of cylindrical metal tubes for different applications. Stainless steel tubes with 16, 11, 4 and 1.1 cm of diameter and Ti-6Al-4V tube with 1.1 cm of diameter were utilized as the hollow cathodes. Samples of stainless steel AISI304, Ti-6Al-4V, pure titanium and silicon wafer (used as monitors) placed inside (and sometimes outside) the tubes were treated by nitrogen or argon PIII aiming better surface properties. The specimens were characterized by x-ray diffraction, scanning electron microscopy, optical profilometry, field emission scanning electron microscopy, pin-on-disk tribology tests, instrumented indentation and Auger electron spectroscopy. The results showed significant surface modifications for discharges in the hollow cathode with one closed end. It was also observed by silicon samples that occurred significant deposition of sputtered material in the tube inner wall. The plasma density exhibit the tendency of being inversely proportional to the tube diameter, for a determined applied power. PIII tests also showed an increase of the tube temperature, by decreasing its diameter. Using a conductive lid in one of the tube ends resulted in a denser and more stable hollow cathode plasma. In the smallest diameter tube tested (1.1 cm), it was noticed that the sheaths overlapping occurred, which probably reduced the energy of nitrogen ions being implanted. The addition of a lid did not solve this problem but it could be possible to reverse the case with a higher power high voltage pulser application. In addition to a better understanding of the ion implantation processes, sputtering and PIII deposition in conductive pipes, the present dissertation allowed the increase of the maximum temperatures obtained in such discharges, making it possible to carry out batch treatment of titanium samples and its alloys by nitrogen implantation, obtaining TiN and Ti$_{2}$N phases. |
| Link de acesso: |
http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2017/02.02.15.14
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Resumo: |
Tratamentos superficiais foram realizados utilizando a implantação iônica por imersão em plasma (3IP), na presença de sputtering e deposição no interior de tubos metálicos visando, em particular, o estudo dos efeitos do sputtering. Entre várias configurações possíveis usando descarga luminescente em tubos condutores, este estudo foi realizado utilizando descarga de catodo oco como fonte de plasma, onde o catodo tem uma ou duas extremidades abertas. Estas configurações permitiram o estudo do plasma com alto confinamento e densidade, além dos tratamentos da superfície do interior de tubos metálicos cilíndricos para diferentes aplicações. Tubos de aço inoxidável de 16, 11, 4 e 1,1 cm de diâmetro e tubo de Ti-6Al-4V de 1,1 cm de diâmetro foram utilizados como catodo oco. Amostras de aço inoxidável 304, Ti-6Al-4V, titânio puro e lâminas de silício (utilizadas como monitor) dispostas no interior (e as vezes fora) dos tubos foram tratadas com 3IP de nitrogênio ou argônio visando melhores propriedades superficiais. As amostras foram caracterizadas por Difração de Raio-X, Microscopia Eletrônica de Varredura, Perfilometria óptica, Microscopia Eletrônica de Varredura por Emissão de Campo, ensaios de tribologia tipo pino-sobre-disco, indentação instrumentada e espectroscopia por elétrons Auger. Os resultados destas análises mostraram modificações superficiais mais expressivas para os casos de descargas de catodo oco com uma extremidade fechada. Observou-se também nas amostras de silício que ocorreu deposição significativa de material removido da parede interna do tubo. A densidade do plasma apresentou a tendência de ser inversamente proporcional ao diâmetro do tubo, para uma determinada potência aplicada, o que resultou no aumento da temperatura do tubo quando se diminuiu o seu diâmetro. A utilização de uma tampa condutora numa das extremidades do tubo resultou em um plasma de catodo oco mais denso e estável. No tubo de menor diâmetro testado (1,1 cm) notou-se que houve a sobreposição da bainha, o que provavelmente reduziu a energia recebida pelos íons de nitrogênio. Nem a adição da tampa resolveu neste caso, sendo talvez possível reverter o caso com a aplicação de maior potência no pulso. Além de melhor compreensão dos processos de implantação, sputtering e deposição em 3IP de tubos condutores, a presente tese permitiu que o aumento da temperatura máxima obtida com essas descargas possibilitasse tratamentos em batelada de amostras de titânio e suas ligas com implantação de nitrogênio, obtendo-se TiN e Ti$_{2}$N. |
