Avaliação dos parâmetros de deposição de intercamada derivada de tetrametilsilano para a adesão de a-C:H em substratos de Ti6Al4V - Goldbeck, Michael Cristian (My University, 2025)
Diamond-like carbon (DLC) is a material composed of carbon in sp2 and sp3 hybridizations, which may or may not contain hydrogen. Its low coefficient of friction, high hardness and chemical inertness make it an interesting material for technological applications. However, the adhesion of DLC films on some metallic substrates is impaired by the low interfacial bond strength and high residual stress. In this case, an interlayer can be used to prevent this problem. The interlayer is a film that binds the DLC and the substrate, and its function is to produce strong interfacial bonds and reduce the coating?s residual stress, enhancing the adhesion. The current research objective was to search for correlations between the deposition parameters, properties of plasma, physicochemical properties of interlayers and adhesion of DLC films, with emphasis on the production of well adhered films. Plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) technique with electrostatic confinement was applied to produce the films. In the deposition chamber, Ti6Al4V substrates underwent etching, a-SiCx:H interlayer deposition from tetramethylsilane (TMS), and DLC film deposition. In the 1° sample series, the altered parameters were the presence of hydrogen in the etching and the interlayer deposition temperature. In the 2° sample series, the altered parameter was the interlayer bias voltage. In the 3° sample series, the altered parameter was the H2/Ar flow proportion in the etching. In all steps, the plasma was monitored with optical emission spectroscopy (OES). The DLC film structure and morphology were evaluated by Raman spectroscopy and optical microscopy. The films' thickness was determined by field emission gun scanning electron microscopy (FEG-SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The a-SiCx:H interlayers were chemically analyzed by glow discharge optical emission spectroscopy (GDOES), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The films' adhesion was determined by scratch tests, and the trails were analyzed by EDS. Deposited DLC films are type hydrogenated amorphous carbon (a C:H). A higher interlayer deposition temperature resulted in less oxygen content, associated with a higher a-C:H film adhesion. The interlayer bias voltage affected its growth rate, in a way that the thicker film, with (344 ± 1) nm, was produced by applying 600 V. This phenomenon was attributed to two competing mechanisms: ionization/dissociation and re-sputtering. Higher bias voltages produced interlayers with more carbon and less silicon. The carbon and silicon contents went from (44,83 ± 0,92) %at. and (41,74 ± 0,80) %at. with 400 V to (69,59 ± 0,70) %at. and (21,42 ± 0,61) %at. with 700 V, respectively. The bias voltage did not cause substantial change in the a C:H films? adhesion. Increasing the H2 relative flow until 40% enhanced the a-C:H film's adhesion. At higher H2 relative flows, the adhesion stays constant. It implies that the atomic hydrogen promoted the oxygen removal efficiency of the a-SiCx:H/Ti6Al4V interface, until saturation was reached. [resumo fornecido pelo autor]
Diamond-like carbon (DLC) é um material constituído de carbono nas hibridizações sp2 e sp3, podendo conter ou não hidrogênio. Suas propriedades de baixo coeficiente de atrito, alta dureza e inércia química o tornam um material de interesse para aplicações tecnológicas. No entanto, a adesão de filmes de DLC em algumas ligas metálicas é prejudicada pela fraca força de ligação interfacial e a alta tensão residual do filme. Nesse caso, uma intercamada pode ser utilizada para contornar esse problema. A intercamada é um filme que vincula o DLC e o substrato, e tem a função de aumentar a força de ligação e reduzir a tensão residual do revestimento, aumentando a adesão. O objetivo da pesquisa atual foi buscar correlações entre os parâmetros de deposição, as propriedades do plasma, as propriedades físico-químicas da intercamada e adesão do filme de DLC, com ênfase na produção de filmes bem aderidos. Para a produção dos filmes, a técnica de deposição química de vapor assistida por plasma (PECVD) com confinamento eletrostático foi utilizada. Na câmara de deposição, substratos de Ti6Al4V foram submetidos a etching, deposição da intercamada de a-SiCx:H a partir de tetrametilsilano (TMS), e deposição do filme DLC. Na 1° série de amostras, os parâmetros alterados foram a presença de hidrogênio na etapa de etching e a temperatura de deposição da intercamada. Na 2° série de amostras, o parâmetro alterado foi o potencial elétrico aplicado na deposição da intercamada. Na 3° série de amostras, o parâmetro alterado foi a proporção de fluxos de Ar/H2 no etching. Em todas as etapas, o plasma foi monitorado por espectroscopia de emissão óptica (OES). A estrutura e morfologia dos filmes de DLC foram avaliados por espectroscopia Raman e microscopia óptica. A espessura dos filmes foi determinada por microscopia eletrônica de varredura com fonte por emissão de campo (FEG-SEM) e espectroscopia de raios X por dispersão de energia (EDS). As intercamadas de a SiCx:H foram avaliadas quimicamente por espectroscopia de emissão óptica por descarga luminescente (GDOES), espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS). A adesão dos filmes foi determinada por ensaios de riscamento e as trilhas foram analisadas por EDS. Os filmes de DLC depositados são do tipo carbono amorfo hidrogenado (a C:H). Uma maior temperatura de deposição da intercamada resultou em um menor conteúdo de oxigênio que foi associado à maior adesão do filme de a C:H. A tensão de deposição da intercamada afetou sua taxa de crescimento, de forma a produzir a intercamada mais espessa, com (344 ± 1) nm, ao aplicar 600 V. Esse fenômeno foi atribuído a dois mecanismos concorrentes: ionização/dissociação e re-sputtering. Altas tensões elétricas geraram intercamadas com mais carbono e menos silício. As concentrações de carbono e silício passaram de (44,83 ± 0,92) %at. e (41,74 ± 0,80) %at. em 400 V para (69,59 ± 0,70) %at. e (21,42 ± 0,61) %at. em 700 V, respectivamente. A tensão de deposição não provocou mudanças significativas na adesão dos filmes de a-C:H. Aumentar o fluxo relativo de H2 até 40 % no etching melhorou a adesão dos filmes de a-C:H. Em fluxos relativos maiores, a adesão é constante. Sugere-se que o hidrogênio atômico promoveu a eficiência da remoção de oxigênio na interface a-SiCx:H/Ti6Al4V, até que uma saturação fora alcançada. [resumo fornecido pelo autor]
Keywords: Materiais - Testes; Tribologia; Filmes finos de diamantes - Aplicações industriais; Carbono - Aplicações industriais; Adesão; Ciência dos materiais; Materials - Testing; Tribology; Diamond thin films - Industrial applications; Carbon - Industrial applications; Adhesion; Materials science