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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.18.2019.tde-15112018-185401
Document
Author
Full name
Bruno César Noronha Marques de Castilho
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2018
Supervisor
Committee
Pinto, Haroldo Cavalcanti (President)
Fogagnolo, João Batista
Nascente, Pedro Augusto de Paula
Title in English
Development and characterization of CrN/CrAlN multilayer coatings deposited by hybrid magnetron sputtering process
Keywords in English
Hard coatings
HiPIMS
Multilayer
Sputtering
Abstract in English
New restrictions and regulations regarding internal combustion engines introduced severe mechanical and thermo-mechanical loads on engine parts, mostly on piston rings, leading to high wear and premature damage, thus causing oil leakage into the combustion chamber and increasing emissions. One of the most viable solutions to overcome these issues is the use of coatings to change surface properties. Coatings produced by High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) and Direct Current Magnetron Sputtering (dcMS) have shown promising results to form dense coatings with high hardness and high wear resistance. Those properties can be further enhanced by using a periodic structure in the form of multilayers of different materials. In this study, we proposed a hybrid process with HiPIMS and dcMS to produce multilayer coatings of CrN and CrAlN. Different target combinations and negative substrate bias were studied. Furthermore, the base layer influence and an evaluation of the periodicity effects were presented. Structure and morphology of the coatings were characterized with X-Ray Diffraction, Scanning Electron Microscopy and Atomic Force Microscopy. Meanwhile, instrumented nanohardness, corrosion and wear tests were performed to characterize mechanical, electrochemical and tribological properties. Results showed that the choice of target combination and bias values are fundamental for enhancing mechanical and tribological properties. On the other hand, we found no evidence of superlattice hardening when changing periodicity but an increase in corrosion resistance when reducing periodicity was found. The combination of targets, substrate bias, base layer and periodicity presented here showed promising results on wear tests, especially when compared with the current coating under the same engine conditions.
Title in Portuguese
Desenvolvimento e caracterização de recobrimentos multicamada de CrN/CrAlN depositados por processo híbrido de Magnetron Sputtering
Keywords in Portuguese
Sputtering
HiPIMS
Multicamadas
Recobrimentos cerâmicos
Abstract in Portuguese
Novas restrições e regulamentações de motores de combustão interna introduziram severas cargas mecânicas e termomecânicas no motor, principalmente nos anéis de pistão, o que leva a um alto desgaste e ao dano prematuro dos mesmos e causa vazamentos de óleo na câmara, aumentando as emissões de poluentes. Uma das soluções mais viáveis para solucionar este problema é o uso de recobrimentos para alterar as propriedades da superfície. Recobrimentos produzidos pelas técnicas High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) e Direct Current Magnetron Sputtering (dcMS) mostraram resultados promissores na formação de filmes densos com elevada dureza e resistência ao desgaste. Essas propriedades podem ser melhoradas com a utilização de estruturas periódicas na forma de multicamadas. Nesse estudo, foi proposto um processo híbrido de HiPIMS e dcMS para produzir recobrimentos multicamadas de CrN/CrAlN. Diferentes combinações de alvos e de valores de polarização negativa do substrato (bias) foram estudadas. Além disso, foram apresentadas a influência da camada base e a avaliação dos efeitos da mudança de periodicidade. Estrutura e morfologia dos recobrimentos foram caracterizadas por Difração de Raios-X, Microscopia Eletrônica de Varredura e Microscopia de Força Atômica. As caracterizações mecânica, eletroquímica e tribológica foram realizadas com ensaios de Nanodureza Instrumentada, Corrosão e Desgaste. Os resultados mostram que a escolha da combinação de alvos e de valores de bias são fundamentais para a melhoria das propriedades mecânicas e tribológicas. Por outro lado, não foram encontradas evidências de endurecimento devido ao efeito de super-redes com a variação de periodicidade, mas um aumento da resistência à corrosão foi evidenciado. A combinação de alvos, bias, camada base e periodicidade apresentadas aqui mostraram resultados promissores em testes de desgaste, principalmente quando comparadas com os recobrimentos utilizados comercialmente nas mesmas condições de trabalho do motor.
 
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Publishing Date
2019-01-07
 
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