Resposta microestrutural e comportamento ao desgaste do Ti

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 21978 (2022) Citar este artigo

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As ligas de titânio são conhecidas pela sua excelente resistência à corrosão; entretanto, 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 duro de Ni 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 inerte de tungstênio. A superfície da amostra foi avaliada por microdureza Vickers, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia de energia dispersiva e teste de desgaste pino-sobre-placa. A análise microestrutural mostrou que a impregnação da superfície do titânio com nanomateriais Ni/(Al2O3 e TiO2) resultou na formação de uma estrutura martensítica dura a uma profundidade de aproximadamente 2 mm abaixo da superfície. As alterações observadas são impulsionadas pela modificação da química da superfície e pela presença de níquel, causando redução do tamanho dos grãos, 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 40 nm de Al2O3 e 30 nm de TiO2 foram incorporadas na superfície. Da mesma forma, a resistência ao desgaste da superfície tratada melhorou em 100%.

O uso de ligas de titânio expandiu-se substancialmente desde o seu primeiro desenvolvimento no início da década de 1950. Agora encontra aplicação em vários ambientes de trabalho extremos onde alta resistência e desempenho são necessários1. As propriedades mecânicas e de resistência à corrosão são desejáveis ​​e têm aplicações significativas nas indústrias automotiva, aeroespacial e biomédica2. Considerável atenção também tem sido 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 o seu desenvolvimento, a liga Ti6Al4V ainda é o material de maior sucesso e frequentemente utilizado 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 são utilizadas altas cargas de contato4. Nas últimas duas décadas, vários métodos para melhorar a dureza superficial de 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 a promessa mais significativa de aumentar a dureza da camada superficial através 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 grãos registrado consistentemente devido à exposição a altas temperaturas9. O processo combinado de gás e CVD também mostrou potencial para aumentar a dureza da superfície do titânio. Porém, 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 em que 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 limites dos grãos. Técnicas como revestimentos de superfície foram tentadas; no entanto, uma limitação primária deste método é a fraca resistência adesiva entre os revestimentos depositados e a liga de titânio.

Outras técnicas envolvem o uso de fontes de energia concentradas para endurecer a superfície da liga de titânio. As fontes de energia típicas incluem laser13, plasma ou feixe de elétrons para fornecer a alta densidade de potência necessária para tratar a superfície14. Embora estas técnicas apresentem um potencial significativo para o endurecimento de superfícies de ligas 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 fundir 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 prevenir qualquer forma de contaminação. A dureza e a resistência ao desgaste das camadas nitretadas dependiam da densidade e da quantidade do gás nitrogênio utilizado. Melhorar as propriedades superficiais de um material através da modificação da superfície tornou-se um requisito essencial antes de qualquer aplicação tribológica prática . A liga Ti6Al4V requer um tratamento superficial adequado para melhorar seu desempenho na redução de atrito, dureza, resistência ao desgaste e estabilidade química8,10. O tratamento de superfície garante que a liga Ti6Al4V retenha as 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 apresentado vários níveis de sucesso e limitações adicionais decorrentes do custo do equipamento utilizado e do tempo consumido para obter alterações superficiais e melhorias na resistência ao desgaste .