Characterization of industrial made TiAlN, TiAlCN and TiAlN/TiAlCN coatings used for machining of Ti6Al4V aerospace alloy

Abstract

A investigação e desenvolvimento de ligas de titânio tem vindo a ser alvo de estudo durante as últimas décadas devido às suas superiors propriedades físicas, químicas e mecânicas quando comparado com outros ligas. No entanto, o fabrico de components em ligas de titânio é mais caro e requer mais tempo de processamento em comparação com outros metais devido à sua grande dificuldade de maquinar. Uma das principais soluções atualmente usadas para melhorar a maquinação das ligas de titânio é a aplicação de revestimentos na superficie das ferramentas de corte, que por um lado permitem aumentar a vida de ferramenta de corte e por outro melhorar a qualidade da superfície maquinada. Nesta tese, revestimentos industriais depositados em monocamada (TiAlN, TiAlCN) e em multicamada (TiAlN/TiAlCN) foram caracterizados relativamente a diferentes propriedades para determiner quais dos revestimentoa apresentam o melhor compromisso entre propriedades. Os revestimentos depositados foram caracterizados quanto à sua composição química, estrutura, morfologia, resistência à oxidação, estabilidade térmica, propriedades mecânicas e comportamento tribológico à temperatura ambiente. Como esperado os revestimentos apresentam diferentes composições químicas de Ti, Al, N e C devido à diferente composição dos alvos usados e potência aplicadas aos alvos durante a deposição. Todos os revestimentos apresentam uma estrutura fcc. A morfologia dos revestimentos em secção transversal exibem um crescimento columnar, onde o revestimento TiAlN apresenta uma morfologia mas densa do ques os outros revestimentos. O ponto de início de oxidação dos revestimentos é dependente da composição química dos revestimentos: ~900°C, ~850°C e ~800°C para os revestimentos TiAlN, TiAlCN e TiAlN/TiAlCN, respectivamente. Os testes isotérmicos realizados às amostras a 900°C durante 2 h aos revestimentos, promoveram a total oxidação dis revestimentos TiAlCN e TiAlN/TiAlCN, enquanto que o revestimento TiAlN foi apenas parcialmente oxidado. A notável resistência à oxidação do revestimento TiAlN deve-se à formação de uma camada continua e protetora de Al2O3 no topo da camada de óxido. A formação dessa fase foi identificada por difração de raios-x analyses SEM. O revestimento TiAlN/TiAlCN apresentou os maiores valores de dureza – 38 GPa e modulo de elastecidade – 363 GPa, entre os diferentes revestimentos. Após o recozimento, o revestimento TiAlN exibiu um grande aumento de dureza devido ao aumento da sua cristalinidade. Nos testes tribológicos, o coeficiente de atrito, a profundidade de desgaste e a taxa especifica de desgaste corroboram os resultados de dureza e tenacidade. As pistas de desgaste exibem um mecanismo de abrasão, caracterizadas pela presença de ranhuras e detritos. O revestiemnto TiAlN/TiAlCN apresentou o melhor desempenho tribológico devido à combinação de alta dureza e alta tenacidade à fratura em comparação coms outros revestimentos.

The research and development on titanium alloys have been nourishing for quite some time due to their superior physical, chemical and mechanical properties. However, manufacturing titanium is more expensive and requires longer time compared with other metals due to its poor machinability. One of the leading solutions to address the difficulty in machining titanium is to deposit coating on the cutting tools in order lengthen the service lifetime and ensure good quality of machined surface. In this study, industrial made monolithic TiAlN, monolithic TiAlCN and multilayered TiAlN/TiAlCN coatings were thoroughly characterized to determine which coating displayed the best combination of properties. The deposited coatings were fully characterized for their chemical composition, structure and morphology, oxidation resistance, thermal stability, mechanical properties and tribological performance at room temperature. The coatings reported different chemical composition of Ti, Al, N and C due to the different targets, chemical composition and power applied to the target during deposition. All films displayed a fcc NaCl type structure. The SEM micrographs of the cross-section and surface morphology of the as-deposited coatings exhibited a columnar growth with TiAlN showing the densest structure. The onset point of oxidation was measured to be ~900°C, ~850°C and ~800°C for TiAlN, TiAlCN and TiAlN/TiAlCN, respectively. After the isothermal test at 900°C for 2 h, TiAlCN and TiAlN/TiAlCN were fully oxidized while a huge portion of the TiAlN coating still exists. The remarkable oxidation resistance of the latter coating was driven by the formation of a continuous and protective oxide scale Al2O3 on top of the oxide layer. The presence of this oxide scale was confirmed by XRD, SEM micrograph and elemental map distribution. The as-deposited TiAlN/TiAlCN reported the highest H and E values at 38 GPa and 363 GPa, respectively. Upon annealing, TiAlN exhibited a huge increase in hardness due to increase in crystallinity. In the tribological tests, the coefficient of friction, wear depth and wear rate corroborate the hardness and toughness results of the coatings. The wear track exhibit abrasion mechanism which is characterized by grooves and scratches and the presence of wear debris in fish-like form. The multilayered TiAlN/TiAlCN showed the best tribological performance due to the combination of high hardness and high fracture toughness compared to the monolithic TiAlN and TiAlCN coatings.