Deposição de revestimentos à base de Cr nanoestruturados espessos por HiPIMS

Dissertação de Mestrado Conjunto Europeu em Tribologia de Superficies e Interfaces apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaO conhecimento fundamental sobre revestimentos tem sido continuamente desenvolvido ao longo dos anos, à medida que a procura por filmes funcionais aumentou por parte das indústrias. Revestimentos à base de crómio são materiais muito usados como revestimentos decorativos e para proteção da superfície graças à sua aparência brilhante e boas propriedades mecânicas. Contudo, os revestimentos à base de Cr são vulneráveis ao desgaste e abrasão especialmente quando usados em ambientes agressivos durante longos períodos de tempo. Assim, o presente trabalho pretende obter revestimentos à base de Cr relativamente espessos (acima de 1 μm) com boa performance para longos tempos de serviço. Os filmes foram preparados por HiPIMS, uma técnica de pulverização catódica conhecida por produzir fluxos de material com elevada fração ionizada o que resulta em filmes densos e com excelentes propriedades.A primeira parte do trabalho focou a investigação dos parâmetros de deposição que originam filmes densos para variados valores de corrente de pico (Ip) com espessura até 1 mm. Com aumento do Ip a taxa de deposição diminui, a morfologia do filme torna-se mais densa e com estrutura colunar pouco percetível. A segunda parte deste trabalho usou então as condições que apresentaram melhores propriedades para depositar filmes Cr com maiores espessuras através do aumento do tempo de deposição. A maior espessura obtida foi cerca de 10.32 mm para 360 minutos de deposição. Todas as deposições efetuadas neste trabalho usaram uma fonte Cyprium da ZpulserTM LLC, operada em modo DOMS.Um estudo detalhado do efeito da espessura nas propriedades dos filmes foi efetuado caracterizando-os com microscopia de varrimento eletrónico, difração de raio-X e microscopia de força atómica. Os resultados mostram uma morfologia densa e compacta constante independentemente da espessura e uma orientação preferencial [110] sem grandes desvios nos picos. Por outro lado, observou-se crescimento das partículas da superfície, sendo este resultado suportado pelo aumento do tamanho de grão calculado com aumento da espessura. A rugosidade e altura das partículas da superfície também aumentam com a espessura, levando a uma diminuição da dureza do filme medida por Nano-indentação. Outras propriedades mecânicas e tribológicas dos filmes foram obtidas com medição das tensões residuais, teste de indentação deslizante e pino-disco. As tensões residuais não apresentam variação significativa com aumento da espessura, ao contrário do modulo elástico do filme que aumenta com o aumento da espessura. Já o desgaste na bola durante ensaios pino-disco aumentou com a espessura devido ao aumento da rugosidade superficial. No entanto, a taxa de desgaste do filme diminui para maiores espessuras principalmente devido ao aumento da carga critica, conforme verificado no ensaio deslizante.Os revestimentos à base de crómio deste trabalho mostram que a elevada capacidade de ionização do HiPIMS permite manter uma microestrutura densa mesmo em revestimentos espessos. Mais, o crescimento dos revestimentos a partir de bombardeamento constante com iões Cr+ resulta em modificação das propriedades do filme que apresentam apenas uma diminuição gradual nas suas propriedades mecânicas.The fundamentals of film coatings have been continuously developed over the years as the demand for functional films are flourishing in the industries. Chromium film is one of the largely used material for decorative and surface protection purposes owing to its bright appearance and good mechanical properties. However, Cr films are found to be vulnerable to wear and abrasion especially when used in severe long-term conditions. Hence, this present work aims to deposit Cr films that are relatively thicker (more than 1 μm) with improved performance and increased life service. Deposition was carried out using HiPIMS, a magnetron sputtering technique known by producing highly ionized fluxes of sputtered material that results to dense films with excellent properties.The first part of this work focused on investigating the deposition parameters that will result in denser film at varying values of peak current (Ip) having the same film thickness of approximately 1 μm. As the applied Ip increases, the deposition rate decreases but the film morphology becomes denser, and the columnar microstructures become unrecognizable. The second part of this work used the best performance conditions to deposit Cr films at increasing thicknesses by increasing the duration of deposition. The maximum film thickness obtained in this work reached to 10.32 μm deposited for 360 minutes. All deposition systems were performed using a Cyprium power supply from ZpulserTM LLC, operated in DOMS mode.A detailed study on the effect of film thickness to the film properties was performed through film characterization using Scanning Electron Microscopy, X-ray Diffraction, and Atomic Force Microscopy. Results showed a constant morphology of dense and compact film regardless of the thickness, all of which having a [110] preferential orientation without significant peak shifting. Meanwhile, the surface topography features have grown supported by the calculated grain size that also increases with film thickness. In effect, the surface height and roughness increase with film thickness, causing the film hardness to decrease as measured by Nanoindentation.Other mechanical and tribological film properties were also evaluated using residual test measurement, linear scratch test and pin-on-disc test. The measured residual stress had no significant change with film thickness, unlike the elastic modulus of the film that increases as the film grows. The wear on the ball from the pin-on-disc test increases with thickness due to the increase in film roughness. However, the wear rate of the film decreases at increasing thickness mainly due to the increase of critical load resistance in the scratch test.The deposited Cr films in this work show that the high ionization capacity of HiPIMS effectively maintained a dense microstructure even on thicker films. Moreover, film growth from continuous bombardment with Cr+ ions generally resulted to changes of film properties that only have a gradual decrease in the mechanical film properties