Materiais com comportamento adequado em temperaturas elevadas e ambientes agressivos tornaram-se uma necessidade científica, tecnológica e economicamente viável nos dias de hoje. A literatura relata estudos que têm sido realizados, independente de objetivos comerciais, para o aprimoramento na obtenção de novas ligas e, principalmente, para a reavaliação de ligas comerciais já existentes, por meio da aquisição de dados em condições de maior severidade. Neste trabalho de doutorado, dá-se continuidade às pesquisas já iniciadas nos estudos de fluência da liga Ti-6Al-4V, estudando-se a influência do tratamento superficial de Implantação Iônica por Imersão em Plasma (IIIP) com diferentes tempos de implantação para a modificação das propriedades superficiais da liga Ti-6Al-4V, com intuito de se obter melhorias nas propriedades tribológicas e na resistência à fluência do material. A liga selecionada (Ti-6Al-4V) foi submetida ao tratamento de IIIP para a implantação de íons de nitrogênio, objetivando-se a formação de uma camada superficial de TiN. As amostras foram caracterizadas pelas técnicas de espectrometria Auger, Raman, desgaste, difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, rugosidade superficial (AFM) e nanoindentação. A liga também foi submetida a ensaios de fluência nas temperaturas de 500, 600 e 700C na modalidade de carga constante. Estudos completos de ensaio de fluência da liga refratária Ti-6Al-4V tratada com implantação iônica por imersão em plasma são escassos na literatura. Pelos resultados obtidos comprova-se a formação de nitretos superficiais nas amostras. Os valores de rugosidade e dureza superficial aumentam quanto maior o tempo de implantação, devido à formação de TiN, diminuindo analogamente o seu coeficiente de desgaste. As amostras com IIIP de 3 e 8 horas apresentam uma menor resistência à fluência quando comparadas com as amostras sem tratamento. Esta menor resistência à fluência é comprovada pela maior taxa de fluência estacionária e à diminuição do tempo de fratura do material, podendo estar relacionada à formação de nitreto de titânio na superfície do material. Devido ao aumento da dureza superficial, promovem um comportamento mais frágil à liga, diminuindo a sua resistência à fluência. Nas amostras com tempo de implantação de 2 horas, a fina camada de nitreto formada não alterou de forma o comportamento dúctil da liga, agindo como uma proteção à oxidação da liga quando submetida em temperaturas elevadas e melhorando seu desempenho em fluência. A correlação dos valores de expoente de tensão e energia de ativação para a região estacionária sugere que o mecanismo de fluência nesse trabalho está associado à escalagem e escorregamento de discordâncias.

Neste trabalho são apresentados os resultados obtidos com a implantação iônica de nitrogênio por imersão em plasma (IIIP ou 3IP) do polietileno de ultra-alto peso molecular (PEUAPM). Um dos principais objetivos do tratamento foi o de promover a melhora das propriedades mecânicas do PEUAPM, principalmente a dureza e o módulo de elasticidade. Tais propriedades foram melhoradas a partir de alterações estruturais, induzidas na superfície do polímero, quando submetido ao bombardeamento por íons de nitrogênio por imersão em plasma. Verificou-se, através da espectroscopia Raman e da espectroscopia de fotoelétrons excitados por raio-X, que a implantação forçada de íons energéticos no polímero causa o rompimento, em sua grande maioria, de ligações carbono-hidrogênio, levando à desidrogenação do material em sua superfície. Em decorrência da desidrogenação do material, e da conseqüente alteração no modo de hibridização de grande parte dos átomos de carbono, que passam de carbonos sp2 para carbonos sp3, há a formação de ligações cruzadas entre cadeias carbônicas adjacentes. Esse fenômeno é associado à formação de uma fina camada de material muito duro sobre a superfície do polímero chamado Carbono tipo Diamante (DLC). A técnica de nanoindentação foi usada para se determinar a dureza e módulo de elasticidade após o tratamento e a técnica AFM usada para se verificar as alterações de rugosidade na superfície do material. Além de se constatar a formação do DLC e a melhora de algumas propriedades mecânicas do material, o trabalho se estende um pouco além, buscando determinar a influência da intensidade dos pulsos e do tempo do tratamento na formação do DLC, com o intuito de apresentar informações que possam indicar ou sugerir condições ótimas de tratamento do PEUAPM por 3IP de nitrogênio.

Este trabalho envolve o tratamento superficial das ligas de alumínio, Al5052, Al7475 e Al2024, empregando a técnica de implantação iônica por imersão em plasma (3IP ou IIIP) de nitrogênio. Os experimentos foram executados no Laboratório Associado de Plasma do INPE usando-se os três sistemas 3IP (baixa, média e alta energia) que atualmente encontram-se em operação. A utilização do 3IP de nitrogênio nas ligas de alumínio teve como finalidade a formação de uma camada de nitreto de alumínio, AlN, que confere às ligas melhores resistência à corrosão, propriedades mecânicas e tribológicas do que o material sem tratamento. Para avaliar as propriedades das superfícies tratadas das ligas de alumínio foram realizadas medidas de polarização potenciodinâmica anódica, difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopias Auger e XPS, microindentação e nanoindentação. Os experimentos de implantação iônica por imersão em plasma de nitrogênio realizados nas ligas de alumínio, utilizando energias que variaram de 2,5 a 50 keV, foram feitos buscando as condições ótimas para este tratamento nestas ligas de alumínio. A liga mais estudada e na qual foram obtidos os melhores resultados quanto à resistência à corrosão foi a liga Al5052, que apresentou na maioria das vezes densidades de corrente de corrosão bem inferiores às da liga não tratada, cerca de dez até mil vezes menores. Depois da implantação iônica de nitrogênio, as ligas apresentaram camadas nitretadas de 100 a 1000 nm de espessura que promoveram uma maior resistência à corrosão destes materiais. Com relação à dureza, este melhor desempenho não foi verificado para todos os casos estudados, devido às temperaturas atingidas durante alguns dos tratamentos 3IP terem ultrapassado 300 C, resultando no amolecimento das ligas. Entretanto, em um dos tratamentos empregando energia moderada (17,5 keV, 450 C), a camada obtida foi bastante espessa (1000 nm), devido à difusão do nitrogênio para o interior da amostra do Al5052. A formação desta camada passiva rica em nitrogênio tornou a superfície bem mais resistente à corrosão do que antes da implantação iônica.

Este trabalho tem como objetivo melhorar as propriedades superficiais da liga Ti-6Al-4V, de alto potencial de uso nas áreas aeroespacial e médica, visto que possui excelente combinação de propriedades, como alta resistência mecânica, boa tenacidade e baixa massa específica, além de notáveis características de biocompatibilidade, aliadas a uma excelente resistência à corrosão, porém, com pobres propriedades tribológicas. Visando sanar essa desvantagem, são utilizados tratamentos assistidos a plasma no desenvolvimento deste estudo. São feitos tratamentos híbridos: IIIP (Implantação Iônica por Imersão em Plasma) combinado com NP (Nitretação por Plasma), e processos simples IIIP em baixas e altas temperaturas. Para os tratamentos em altas temperaturas, o potencial de plasma é variado entre 90V e 420V. Os melhores resultados obtidos são para os tratamentos realizados a 800C e baixo potencial de plasma (PP). Uma camada modificada de 1.500 nm é medida por GDOS ("Glow Discharge Optical Spectroscopy") para amostra tratada durante 240 minutos, cerca de 15 vezes mais espessa do que amostra tratada em processo IIIP simples (sem aquecimento adicional) por 100 minutos (melhor resultado obtido nessas condições). É observado um grande aumento na sua resistência ao desgaste, com coeficiente de atrito diminuindo de um valor médio de 0,4 (amostra de referência) para cerca de 0,1 - 0,05 para amostras tratadas, o que atribui alta resistência ao desgaste. É obtido também aumento da dureza superficial, da ordem de 250% em relação à amostra sem tratamento em valores aproximados de 22 GPa (dureza do nitreto de titânio). Após os tratamentos, as amostras preservam também sua boa resistência à corrosão. Essas modificações nas propriedades da estrutura devem-se a formação de nitreto de titânio, que pode ser detectado pela técnica de difração de raios X (XRD). Além de melhoria das propriedades de desgaste do material, é comprovada a eficiência do dispositivo de aquecimento interno ao porta-amostra, para a realização de tratamentos por plasma em altas temperaturas.

Os filmes de carbono tipo diamante (DLC) são materiais que possuem excelentes propriedades tais como: alta dureza, alta resistência ao desgaste, baixo coeficiente de atrito, biocompatibilidade, inércia química, baixa rugosidade, transparência óptica, alta resistividade elétrica entre outras, o que fazem com que o DLC tenha uma variedade de aplicações. Entretanto, sabe-se que o DLC possui fraca adesão sobre substratos metálicos resultando em delaminações. Com o objetivo investigar esse problema, foi realizado neste trabalho o estudo da sua deposição em lâminas de silício, aço inoxidável, liga de alumínio e liga de titânio, segundo duas técnicas baseadas em implantação iônica por imersão em plasma (IIIP ou 3IP). A primeira consistiu em 3IP e deposição com magnetron sputtering (3IP&D). Para este caso, duas condições foram estudadas, sendo a primeira: implantação em 30 minutos e deposição em 60 minutos e a segunda condição foi alternando 20 minutos de implantação e 20 de deposição, totalizando 80 minutos. As outras condições estudadas foram implantando com metano por 60 minutos, acetileno também com 60 minutos e metano com 30 minutos mais 60 minutos com acetileno. Após a deposição, os filmes foram caracterizados pelas técnicas de perfilometria, espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e de força atômica (AFM), corrosão, estudo da aderência, medidas de coeficiente de atrito e nanodureza. Com os resultados obtidos podemos dizer que o filme que apresentou melhores resultados foram os obtidos com implantação de metano por 30 minutos mais implantação com acetileno por mais 60 minutos.

As ligas Ti-Ni com efeito de memória de forma possuem aplicações em diversas áreas por apresentarem alta ductilidade e boa resistência à fadiga e a corrosão. É um material promissor na área biomédica devido às propriedades de efeito de memória de forma e superelasticidade. Uma possibilidade para melhorar as propriedades tribológicas e a biocompatibilidade desse material é modificação superficial através do processo de implantação iônica por imersão em plasma de nitrogênio (IIIP-N). Os materiais utilizados neste trabalho são as ligas Ti-49,93 at.% Ni, denominado VIM 47, e Ti-49,42 at.% Ni, denominado VIM 40. O processo IIIP-N foi realizado em baixa e alta temperatura. Para o material VIM 47, foram realizadas implantação em duas condições: no material fundido e em amostras solubilizadas a 900C durante 30 minutos. A implantação foi realizada em temperaturas menores que 250C e 320C. Para o material VIM 40, trabalhou-se apenas com amostras forjadas, sendo realizada IIIP-N em temperaturas menor que 250C, 290C e 560C. A técnica de espectroscopia Auger confirma a presença de nitreto de titânio nas superfícies das amostras, apresentando como melhor resultado na liga VIM 47 a amostra implantada a 320C com espessura próxima a 400 nm, duas vezes superior à camada da amostra fundida implantada na mesma condição experimental. A liga VIM 40, apresenta como melhor resultado a camada com espessura de 150 nm medida por GDOS ("Glow Discharge Optical Spectroscopy") na amostra implantada a 560C, três vezes superior à amostra implantada na temperatura menor que 250C. Nas análises de desgaste pino-sobre-disco, o coeficiente de atrito diminui significativamente através do processo IIIP-N. O melhor resultado obtido foi para amostra do material VIM 40, implantada a 560C, com coeficiente de atrito em torno de 0,1, resultado oito vezes menor comparado com a amostra de referência.

Este projeto de pesquisa de doutoramento envolveu o tratamento superficial das ligas AA7075 e Ti6Al4V, empregando a técnica de implantação iônica por imersão em plasma (3IP ou IIIP). Foram testados 4 regimes de processos 3IP: 1) Baixas energias e temperaturas; 2) Energias e temperaturas moderadas; 3) Baixa energia e alta temperatura; 4) Energia moderada e alta temperatura. As implantações foram realizadas usando-se plasma de nitrogênio e oxigênio puros e também misturas de nitrogênio e hidrogênio e de oxigênio e argônio. O principal objetivo foi o melhoramento das propriedades superficiais destas ligas amplamente empregadas no setor aeroespacial, através da formação de camadas de AlN e TiN. Depois do experimento empregando-se 3IP da mistura de N2:H2 com energias e temperaturas moderadas, verificamos um aumento da resistência à corrosão da liga de alumínio 7075, relacionada à redução da densidade da corrente de corrosão em duas ordens de grandeza, em relação à amostra não implantada. A liga de titânio apresentou reduções da densidade da corrente passiva, em uma ordem de grandeza após os tratamentos 3IP. O melhor resultado desta liga quanto à resistência à corrosão foi obtido após os tratamentos feitos empregando energias moderadas e alta temperatura, onde observamos valores da densidade da corrente de corrosão dez vezes menores do que antes dos tratamentos. A dureza da liga Ti6Al4V aumentou consideravelmente depois dos tratamentos, apresentando o dobro do valor da dureza da liga sem tratamento, depois de grande parte dos tratamentos. O resultado mais relevante foi obtido no tratamento 3IP de nitrogênio durante 1:40 h, realizado com 12 kV a 800C onde verificou-se um aumento de mais de três vezes no valor da dureza da liga implantada. Com o aumento da dureza, as superfícies do Ti6Al4V tratadas por 3IP em alta temperatura apresentaram reduções significativas da taxa de desgaste, em torno de até 90%, e em um dos casos nem sequer foi possível medir a largura da trilha do desgaste. Ainda em relação às propriedades tribológicas, podemos verificar também a redução do coeficiente de atrito depois de todos os tratamentos realizados com energias moderadas a 800 C, com isto a liga de titânio tornou-se mais resistente ao galling. Tais resultados aumentam as possibilidades de aplicações destes materiais nos mais diversos seguimentos industriais, principalmente nos setores aeronáutico e espacial que são de nosso maior interesse.