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Doctoral Thesis
Document
Author
Full name
Juliano Avelar Araujo
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2016
Supervisor
Committee
Tschiptschin, Andre Paulo (President)
Fontana, Luis César
Lima, Nelson Batista de
Pinto, Haroldo Cavalcanti
Souza, Roberto Martins de
Title in Portuguese
Obtenção e caracterização microestrutural e química de recobrimentos multicamadas de NbN/CrN para aplicações tribológicas pelo processo de deposição física de vapor.
Keywords in Portuguese
Arco catódico
Materiais
Materiais cerâmicos
Nanoestrutura
NbN/CrN
Recobrimentos multicamadas
Abstract in Portuguese
O presente trabalho tem como objetivo contribuir para o conhecimento da morfologia, microestrutura e modulação composicional (perfil da composição química) de recobrimentos NbN/CrN multicamadas nanoestruturados com diferentes periodicidades (entre 4 e 20 nm) depositado por PVD pela técnica de arco catódico. Foi alcançada espessura total do recobrimento de 30 ?m mantendo-se a homogeneidade da periodicidade ao longo de toda a espessura. Análises de difração de Raios-X, aliadas a modelamento computacional (difração dinâmica), e análise de microscopia eletrônica de transmissão (MET), permitiram a determinação da periodicidade das multicamadas e a espessura das camadas individuais de NbN e CrN e análise qualitativa da coerência entre as camadas. O modo de varredura (SMET) acoplado com espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS), permitiu medir a variação da composição química ao longo das nano-camadas individuais. A análise por EELS mostrou que, mesmo para a menor periodicidade estudada - 4nm, não há eliminação da modulação composicional. Assim, um modelo de Análise de Elementos Finitos (FEA) foi utilizado para avaliar a componente das tensões residuais intrínsecas ao longo das multicamadas, alimentado com o cáculo da deformação do parâmetro de rede, que pela Lei de Vergards varia em função da modulação química, ao longo das camadas de NbN e CrN. A microindentação instrumentada e o teste de riscamento mostraram aumento de dureza e maior resistência ao risco com a redução da periodicidade das multicamadas nanoestruturadas de NbN/CrN. O cruzamento dos resultados das diversas técnicas empregadas permitiu análise detalhada da estrutura e morfologia destes recobrimentos e a influência das periodicidades na modulação química das camadas individuais, possibilitando o desenvolvimento de um modelo qualitativo. Este aprendizado irá permitir a deposição de recobrimentos multicamadas nanoestruturados com melhor controle das propriedades mecânicas objetivadas em função da aplicação final do produto.
Title in English
Production and microestructural and chemical characterization of NbN/CrN multilayer coatings for tribological applications by physical vapor deposition process.
Keywords in English
Cathodic arc
Multilayer coatings
Nanostructure
NbN/CrN
Abstract in English
The present work aims at contributing to the knowledge, microstructure and compositional modulation (Chemical composition profile) of NbN/CrN multilayer nanostructured coatings with different periodicities (between 4 and 20nm) deposited by cathodic arc technique. It was reached a total coating thickness of 30 ?m preserving the periodicity homogeneity along the thickness. X-Ray Diffraction analisys, combined with computational modeling (dinamic diffraction) and Transmission Eletron Microscopy analysis (TEM), allowed the multilayer periodicity determination, the individual NbN and CrN layer thicknesses as well as the qualitative analysis of coherency among layers. The scanning mode (STEM) combined with Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS), allowed the measurement of the chemical composition variation along the individual nanolayers. The EELS analysis showed that, even for the lowest periodicity studied - 4nm, there is no elimination of the compositional modulation. Thus, the Finite Element Analysis model (FEA) was used to evaluate the intrinsic residual stress component along the multilayers, fed with the lattice parameter deformation calculation, which, by Vegards Law varies as a function of the chemical modulation, along the NbN and CrN layers. The instrumented microindentation and the Scratch test showed hardness increase and higher scratch resistance as periodicity decreases on the nanostructured multilayer of NbN/CrN. The cross-linking data of the several techniques employed enabled a detailed analysis of the structure and morphology of such coatings and the influence of the periodicities on the individual layer chemical modulation, allowing the development of a qualitative model. This learning will allow multilayer nanostructured coatings deposition with a better control of desired mechanical properties as a function of the final product application.
 
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Publishing Date
2016-12-08
 
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