Desenvolvimento de revestimentos de diamante CVD/TiAlSiN para aplicações na indústria aeronáutica

Abstract

Este projeto realizado em conjunto com a PALBIT S.A., consistiu no desenvolvimento de revestimentos de diamante sobre pastilhas de corte de metal duro (WC-7Co) sem revestimento e com revestimento de TiAlSiN, para o torneamento da liga Ti-6Al-4V usada em componentes aeronáuticos. Os revestimentos de TiAlSiN (com espessura ~ 3 µm) foram depositados pela empresa Palbit através da técnica HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering). No sentido de aumentar a resistência ao desgaste e prolongar o seu tempo de vida, as pastilhas de torneamento foram revestidas com filmes (de ~3 µm) de diamante microcristalino (MCD) e nanocristalino (NCD) em configurações monocamada e bicamada, por HFCVD (Hot Filament Chemical Vapour Deposition). De modo a maximizar a adesão dos filmes de diamante às ferramentas, foi efetuado um estudo de otimização de pré-tratamentos. As pastilhas de metal duro não revestidas, foram submetidas a um pré-tratamento químico e riscagem (ou semeadura) ultrassónica com pós de diamante de granulometria 6nm e 0,5-1 µm, e pré-tratamento por prensagem isostática a 500 MPa com pós de diamante de granulometria 6nm, 0,5-1, 10-20 e 40-60 µm. As pastilhas de metal revestidas com TiAlSiN foram submetidas a três tipos de pré tratamentos: riscagem (ou semeadura) por ultrassons, prensagem isostática (500 MPa) e por RF plasma (CF4 e O2). A seleção dos pré-tratamentos mais adequados foi efetuada através do comportamento das pastilhas revestidas com NCD em testes preliminares de adesão por indentação Rockwell C, e de maquinação da liga Ti-6Al-4V com velocidade de corte moderada (90 m/min). As pastilhas revestidas foram caracterizadas por SEM, EDS, TEM, perfilometria ótica e espectroscopia Raman. No caso das pastilhas de metal duro sem revestimento de TiAlSiN selecionou se o pré-tratamento químico e riscagem ultrassónica com pó de diamante de granulometria 0,5-1 µm. No caso das pastilhas revestidas com TiAlSiN, apenas o pré-tratamento por prensagem isostática a 500 MPa com pó de diamante de granulometria 0,5-1 µm garantiu o fecho completo do filme de NCD sem delaminação visível. Com base nos pré-tratamentos otimizados, revestiram-se as pastilhas para os ensaios de maquinação finais com filmes de MCD, NCD e bicamada, em que se aumentou a velocidade de corte (VC) de 90 para 110 m/min, na tentativa de replicar tanto quanto possível a realidade industrial. Observou-se que os principais mecanismos de desgaste identificados após a maquinação da liga Ti-6Al-4V foram adesão e abrasão. No caso das pastilhas revestidas por monocamadas, o revestimento de MCD demonstrou a melhor resistência ao desgaste (VBBmax= 0,354 mm ao fim de 15 minutos). No caso das pastilhas revestidas por bicamadas, o revestimento constituído por uma camada interna de TiAlSiN e uma camada externa de NCD (TiAlSiN-NCD), demonstrou a melhor resistência ao desgaste (VBBmax=0,443 mm ao fim de 15 minutos).

This project was accomplished in partnership with PALBIT S.A., and consisted on the development of diamond coatings on top of cemented tungsten carbide (WC-7Co) inserts with and without TiAlSiN coating, for the turning of Ti-6Al-4V aerospace alloy. The TiAlSiN coatings (~ 3 µm thickness) where synthesized by PALBIT using HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering). These turning inserts were coated with microcrystalline (MCD) and nanocrystalline diamond (NCD) monolayered and bilayered coatings, by HFCVD (Hot Filament Chemical Vapour Deposition), with the purpose of increasing their wear resistance and lifespan. A study comprising different pre-treatments was conducted in order to maximize adhesion of the diamond coatings to the cutting tools. The uncoated cemented carbide tools were subjected to a chemical pre treatment followed by ultrasonic seeding with diamond powders of 6 nm and 0.5 – 1 µm average particle size, and to another pre-treatment consisting of isostatic pressing at 500 MPa, with diamond powders of 6nm, 0.5-1, 10-20 e 40-60 µm average particle size. The TiAlSiN coated inserts were submitted to three different pre-treatments: ultrasonic seeding, isostatic pressing (500 MPa) and RF plasma (CF4 and O2). The selection of the most suited pre-treatments was conducted through preliminary adhesion testing of NCD coated inserts by Rockwell C indentation, and machining of Ti-6Al-4V alloy with moderate cutting speed (90 m/min). The coated inserts were characterized by SEM, EDS, TEM, optical profilometry and Raman spectroscopy. The chemical pre-treatment followed by ultrasonic seeding with 0.5-1 µm was found to be the most suitable for the cemented tungsten carbide without TiAlSiN coating. For the TiAlSiN coated inserts, the pre-treatment consisting of isostatic pressing with diamond powder of 0.5-1 µm was found to be the only one allowing the closure of NCD coatings without visible spalling. Starting from these optimized pre-treatments, the inserts for the final machining tests were coated with MCD, NCD and MCD/NCD bilayered coatings, for which the cutting speed (Vc) was increased from 90 to 110 m/min, attempting to replicate industrial turning parameters as much as possible. The inserts were subjected mainly to abrasive and adhesive wear. For the inserts coated with monolayers, the MCD coating exhibited the highest wear resistance (VBBmax = 0.354 mm after 15 minutes), while for the bilayer coated inserts, the highest wear resistance was attained with the TiAlSiN/NCD configuration (VBBmax = 0.443 mm after 15 minutes).