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dc.contributor.advisor1Souza, Gelson Biscaia de-
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dc.contributor.referee1Brunatto, Silvio Francisco-
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dc.contributor.referee2Pintaúde, Giuseppe-
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dc.creatorNeves, Guilherme Almeida das-
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dc.date.accessioned2024-07-15T17:58:56Z-
dc.date.available2024-07-15-
dc.date.available2024-07-15T17:58:56Z-
dc.date.issued2024-05-08-
dc.identifier.citationNEVES, Guilherme Almeida das. Modificação de Superfície por implantação de nitrogênio na superliga de níquel inconel 718. 2024. Dissertação (Mestrado em Ciências) - Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, 2024.pt_BR
dc.identifier.urihttp://tede2.uepg.br/jspui/handle/prefix/4284-
dc.description.abstractThe insertion of nitrogen into Fe-Cr-Ni alloys results in the formation of the expanded austenite γN, a metastable phase supersaturated with nitrogen. The UNS N07718 alloy (Inconel 718) was selected for the present study to gain insights into the control of the expanded austenite formation with a plasma immersion ion implantation system (PIII), by exploring the relationship between the energy density per pulse (E̅) and ion fluence (Γ). One part of the study consisted in analyzing these treatment parameters, managed through implantation frequency (0,7-1,8 kHz), pulse width (12-30 μs) and ion current (0,64-0,91 A), while employing the same 350 °C temperature to restrict thermal diffusion effects. In a second approach, the temperature effect on the layer formation was investigated at the 300- 400 oC range. In all cases, the treatment time was 3 hours. Inversely proportional effects arise from the implantation energy and ion fluence parameters, affecting the layer thicknesses formed under the 350 °C temperature. The lower E̅ and higher  values produce a layer with ~3,5 μm in thickness, which is 9% thicker than the thinnest one obtained at the same temperature. The extreme E̅ (75 ± 10-5 J/cm2 ) conditions produce the thinnest layers, whereas extreme  result in the thickest ones. These results are understood in terms of the nitrogen concentration gradient, found at the surface during the treatments, in association with the sputtering rate, vacancies formation and nitrides growth in the modified layer. Such phenomena rule the solute diffusion in the matrix. The lower temperatures resulted in ~1.9 μm thick layers, while significantly larger ~6 μm layers ensue from the highest employed temperature, 400 °C, a condition that holds the most significant retained nitrogen dose in the entire modified region, but the lowest concentration among the studied cases (28 at. % versus 32 at. %). Considerable amount of CrN and Cr2N exist on the top of the surface prepared at 400 °C; however, the expanded austenite N is the prevailing phase found on all the modified layers. In some layers, possible nickel nitride (Ni3N) are considered as well, since the PIII technique provides the necessary requirements for this phase ́s precipitation in the Inconel 718 alloy. The stability of expanded austenite was tested at a temperature of 350 o C; the changes comprise the possible γN depletion into chromium nitrides and a Cr-poor substructure. The modified layers display improved mechanical properties, with hardness three times higher and elastic modulus similar to the substrate values. The E̅ and  parameters correlate inversely with respect to hardness – in the 350 °C treatments, it increases with E̅. It follows from the analysis of the TiN and Nb2O5 precipitates, originally present in the alloy, that they are not affected by the ion implantation process. These results highlight the influence of E̅ and  parameters, implemented jointly and in association with temperature, to achieve a fine tune control on the modified nickel alloys surfaces.pt_BR
dc.description.resumoA inserção de nitrogênio na superfície de ligas Fe-Cr-Ni resulta na formação da austenita expandida γN, uma fase metaestável supersaturada com nitrogênio. A liga UNS N07718 (Inconel 718), foi utilizada neste estudo, onde explorou-se formas de se aperfeiçoar o controle da formação de austenita expandida no sistema de implantação iônica por imersão em plasma (PIII), através das relações entre a densidade superficial de energia de implantação (E̅) e a fluência de íons (Γ). Numa etapa dos experimentos, realizou-se uma análise sobre os parâmetros de tratamento, variando-se frequência (0,7-1,8 kHz), largura de pulsos (12-30 μs) e corrente de íons (0,64-0,91 A) e mantendo-se a mesma temperatura de 350 oC, de modo a limitar os efeitos da difusão térmica. Na segunda etapa, procedeu-se a análise de formação de camada em função da temperatura de implantação iônica em temperaturas na faixa 300 a 400 oC. Em todos os casos, o tempo de tratamento empregado foi de 3 horas. Observou-se que a energia de implantação e fluência resultam em efeitos inversamente proporcionais, afetando na espessura da camada formada nas condições de 350 °C: o menor E̅ e o maior  produzem uma camada de ~3,5 μm, a qual é 9 % maior que a menor camada obtida à mesma temperatura. As condições extremas de E̅ (75 ± 10-5 J/cm2 ) resultam em camadas mais finas, enquanto  maiores resultam em camadas mais espessas. Tais resultados se devem ao gradiente de concentração de nitrogênio que se estabelece na superfície durante o tratamento, combinado à taxa de pulverização catódica (sputtering) e à formação de vacâncias e nitretos na camada modificada, sendo que todos esses fenômenos afetam a difusão de solutos na matriz. A temperatura mais baixa de 300 oC resulta em camadas com ~1,9 μm de espessura, enquanto a temperatura de tratamento mais elevada, de 400 °C, produz camadas significativamente maiores, com ~5,8 μm, na qual a fração retida de nitrogênio em toda a região modificada é maior, mas sua concentração é a mais baixa dentre os casos estudados (32%at. contra 28 %at., respectivamente). Há formação considerável de nitretos CrN e Cr2N na superfície produzida em 400 °C, porém a austenita expandida N é a fase predominante para todas as condições de tratamento. É possível que haja, também, formação de nitreto de níquel (Ni3N) em algumas das superfícies, visto que a PIII viabiliza as condições termodinâmicas para a formação dessa fase no Inconel 718. A estabilidade da austenita expandida foi testada na temperatura 350 oC. Observou-se alterações com a possível depleção de N em nitretos de cromo e uma sub-estrutura pobre em cromo. As camadas modificadas apresentam propriedades mecânicas superiores às do substrato, com dureza aproximadamente três vezes maior e módulo de elasticidade semelhante. Os parâmetros E̅ e  se relacionam inversamente com respeito à dureza da camada – nos tratamentos em 350 °C, seu valor aumenta com o aumento de E̅. A análise dos precipitados TiN e Nb2O5, presentes originalmente na liga, indica que estes não são alterados pelo processo de implantação iônica. Esses resultados destacam a influência dos parâmetros E̅ e , que devem ser considerados conjuntamente e em associação à temperatura para o controle mais preciso da modificação da superfície das ligas de níquel.pt_BR
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dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superiorpt_BR
dc.languageporpt_BR
dc.publisherUniversidade Estadual de Ponta Grossapt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.departmentSetor de Ciências Exatas e Naturaispt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Ciênciaspt_BR
dc.publisher.initialsUEPGpt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/*
dc.subjectsuperliga de níquelpt_BR
dc.subjectnitretaçãopt_BR
dc.subjectfase Spt_BR
dc.subjectdifração de raios Xpt_BR
dc.subjectnanoindentaçãopt_BR
dc.subjectnickel superalloypt_BR
dc.subjectnitridingpt_BR
dc.subjectS-phasept_BR
dc.subjectX-ray diffractionpt_BR
dc.subjectnanoindentationpt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRApt_BR
dc.titleModificação de Superfície por implantação de nitrogênio na superliga de níquel inconel 718pt_BR
dc.typeDissertaçãopt_BR
Appears in Collections:Programa de Pós - Graduação em Ciências

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