Resposta microestrutural e comportamento de desgaste do Ti

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 21978 (2022) Citar este artigo

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As ligas de titânio são conhecidas por sua excelente resistência à corrosão; no entanto, a baixa dureza superficial resulta em baixa resistência ao desgaste, o que limita sua aplicação potencial. Este estudo emprega um novo processo de duas etapas para incorporar um revestimento de Ni duro contendo uma mistura de partículas nanométricas (Al2O3 e TiO2) na superfície da liga Ti-6Al-4V usando um arco elétrico produzido durante o processo de soldagem com gás de tungstênio inerte. A superfície da amostra foi avaliada por microdureza Vickers, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia de energia dispersiva e testes de desgaste pin-on-plate. A análise microestrutural mostrou que impregnar a superfície de titânio com nanomateriais de Ni/(Al2O3 e TiO2) resultou na formação de uma estrutura martensítica dura a uma profundidade de aproximadamente 2 mm abaixo da superfície. As mudanças observadas são impulsionadas pela modificação da química da superfície e pela presença de níquel, causando redução do tamanho de grão, fortalecimento da solução sólida e fortalecimento da dispersão da camada tratada pelas nanopartículas. A dureza da camada tratada aumentou em mais de 180% quando partículas de Al2O3 de 40 nm e TiO2 de 30 nm foram incorporadas à superfície. Da mesma forma, a resistência ao desgaste da superfície tratada melhorou em 100%.

O uso de ligas de titânio expandiu substancialmente desde seu primeiro desenvolvimento no início dos anos 1950. Ele agora encontra aplicação em vários ambientes de trabalho extremos onde são necessários alta resistência e desempenho1. As propriedades mecânicas e de resistência à corrosão são desejáveis ​​e têm aplicações significativas nas indústrias automotiva, aeroespacial e biomédica2. Uma atenção considerável também foi dedicada às ligas de titânio em diferentes campos, incluindo dispositivos militares e produtos civis. A primeira liga de titânio prática foi a liga Ti6Al4V, desenvolvida na década de 1950 para aplicações aeroespaciais e militares. Muitos anos após seu desenvolvimento, a liga Ti6Al4V ainda é o material mais bem-sucedido e frequentemente usado em aplicações biomédicas e aeroespaciais3.

Embora a liga Ti6Al4V possua muitas características desejáveis ​​de resistência mecânica e resistência à corrosão, uma limitação primária é a baixa dureza superficial, resultando em baixa resistência ao desgaste e alto coeficiente de atrito4. Essas limitações impedem a aplicação da liga Ti6Al4V em situações onde altas cargas de contato são utilizadas4. Nas últimas duas décadas, vários métodos para melhorar a dureza superficial das ligas de titânio foram investigados, como implantação iônica5, tratamentos térmicos, deposição física de vapor (PVD) e deposição química de vapor (CVD)6. A nitretação a gás demonstrou ser a promessa mais significativa de aumentar a dureza da camada superficial por meio de um processo de difusão em alta temperatura normalmente realizado na região de 1000 °C7,8. Um fator limitante nesse processo é o crescimento de grão consistentemente registrado devido à exposição a altas temperaturas9. O processo combinado de gás e CVD também mostrou o potencial para aumentar a dureza da superfície do titânio. No entanto, o processo é descontínuo, pois deve ser realizado em dois reatores10. Em outro estudo de Tobola et al.11, os pesquisadores exploraram um processo de duas etapas no qual os componentes de titânio foram polidos com uma força de 130 N antes de serem submetidos a um processo de nitretação a gás. Enquanto a dureza superficial do Ti6Al4V aumentou, o tratamento mecânico levou à formação de muitos defeitos na forma de discordâncias e aberturas nos contornos de grão. Técnicas como revestimentos de superfície foram tentadas; no entanto, uma limitação primária desse método é a baixa resistência adesiva entre os revestimentos depositados e a liga de titânio12.

Outras técnicas envolvem o uso de fontes de energia concentradas para endurecer a superfície da liga de titânio. Fontes de energia típicas incluem laser13, plasma ou feixe de elétrons para fornecer a densidade de alta potência necessária para tratar a superfície14. Embora essas técnicas mostrem um potencial significativo para o endurecimento de superfícies de liga de titânio, o equipamento necessário é proibitivamente caro. Em outro estudo, a superfície da superfície Ti6Al4V foi endurecida usando o arco elétrico gerado durante a soldagem com gás inerte de tungstênio para derreter as superfícies em conjunto com gás nitrogênio para produzir uma camada de nitreto na superfície da liga Ti6Al4V. A área que foi tratada termicamente é geralmente coberta com nitrogênio para produzir uma camada de nitreto. O gás argônio também é usado para evitar qualquer forma de contaminação. A dureza e resistência ao desgaste das camadas nitretadas dependiam da densidade e quantidade do gás nitrogênio usado. Melhorar as propriedades da superfície de um material modificando a superfície tornou-se um requisito essencial antes de qualquer aplicação tribológica prática15. A liga Ti6Al4V requer um tratamento superficial adequado para melhorar seu desempenho na redução do atrito, dureza, resistência ao desgaste e estabilidade química8,10. O tratamento de superfície garante que a liga Ti6Al4V mantenha suas propriedades desejadas enquanto expande sua aplicação em vários campos. A modificação da superfície também é um bom fator que abrange o desempenho de um componente de engenharia e seu custo. Diferentes tecnologias de modificação de superfície da liga Ti6Al4V foram desenvolvidas com base em suas propriedades químicas. Essas técnicas têm mostrado vários níveis de sucesso e limitações adicionais decorrentes do custo dos equipamentos utilizados e do tempo gasto na obtenção de mudanças de superfície e melhorias na resistência ao desgaste4,5.