ÁREA
Química de Materiais
Autores
Oliveira Júnior, W. (UFVJM - JANAÚBA) ; Silva, E.P. (UFVJM - JANAÚBA) ; Apolinário, R.C. (EESC - USP) ; Pereira, J.N. (EESC - USP) ; Pinto, H.C. (EESC - USP) ; Santos, M.J.A. (UFVJM - JANAÚBA)
RESUMO
A engenharia de superfícies auxilia a reduzir este problema, visto que a fabricação de recobrimentos de alta densidade, em especial por meio das técnicas de deposição física de vapor (PVD), permite a deposição de filmes finos e densos. Em particular, o Magnetron Sputtering possibilita o controle da orientação, densidade e espessura dos filmes, por meio da variação dos parâmetros de deposição. Neste trabalho, ligas ZK60 e ZK60 + 1,5% MM foram recobertas com ZnO por meio do HiPIMS, variando a tensão de bias aplicada para avaliar o impacto na morfologia dos filmes. Os filmes obtidos são densos, com espessura média de aproximadamente 1,72 µm e 4 µm, e superfície porosa. Houve impacto na direção cristalina e propriedades com a mudança na Tensão de Bias, promovendo mudança na textura dos filmes.
Palavras Chaves
Magnésio; Deposição Física de Vapor; Tensão de Bias
Introdução
Dentre as ligas de magnésio, as do tipo ZK apresentam a maior tenacidade. Contudo, sua suscetibilidade à corrosão e baixa trabalhabilidade à quente limitam seu uso, a exemplo da liga ZK60. A adição de Mischmetal à liga permite aumentar a temperatura de trabalho e melhora a resistência à corrosão da liga. Silva et al (2018) mostraram que a adição de 1,5% de Mischmetal (Mm) apresentou materiais com presença de intermetálicos de ponto de fusão mais elevado que os obtidos na liga ZK60, aumentando sua trabalhabilidade e alterando o mecanismo de degradação por corrosão do material. Contudo, a corrosão segue um problema para algumas aplicações, necessitando barreira ainda maior para aplicações como a biológica. A produção de recobrimentos densos é uma opção para contornar este desafio. (DA SILVA et al., 2017; OLIVEIRA et al., 2019; SILVA et al., 2018b) O High Power Impulse Magnetron Sputtering tem se destacado por produzir filmes de escala nano com alta densidade e parâmetros muito bem controlados, enquanto o óxido de zinco é conhecido por ser um semicondutor de estrutura hexagonal compacta, despertando interesse na indústria devido às propriedades dos recobrimentos produzidos com este material, em especial quando nanoestruturados, por apresentarem propriedades antibacterianas, além de servirem de barreira de permeação para agentes oxidantes. (BAKHSHESHI-RAD et al., 2017; HAMELMANN, 2016; OPREA et al., 2016) Tendo estes aspectos em vista, este trabalho tem como objetivo fabricar ligas do tipo ZK60, com e sem a adição de mischmetal, e utilizá-las como substrato para recobrimentos de ZnO via processos de Magnetron Sputtering, variando os níveis de tensão de bias, a fim de observar o impacto destes níveis de energia na morfologia e orientação dos filmes produzidos.
Material e métodos
Fabricação das Ligas Neste trabalho foram empregados como substratos ligas de magnésio ZK60 e ZK60 com adição de 1,5% de Mm, fabricados a partir de magnésio metálico, liga de adição Zirmax (Mg - 33,3% Zr) e zinco eletrolítico, além de 1,5% de mischmetal (55% Ce, 24% La, 15% Nd e 4% Pr). ). Estas ligas foram fabricadas em forno resistivo com sistema de agitação mecânica acoplado de atmosfera controlada, presente na EESC-USP. Os materiais foram então laminados para total redução de aproximadamente 65%. Deposição dos filmes Para a produção dos filmes, houve um aquecimento inicial a 150°C, seguida de um sputtering inicial durante 30 minutos, utilizando um tempo de pulso de 200 µs a 400Hz. Foi então realizado um ion etching por mais 30 minutos com um pulse time de 50 µs, utilizando 104Hz e 600W. Foram então realizadas duas corridas em diferentes tensões de bias. Na primeira corrida, a deposição foi realizada utilizado uma atmosfera de 50sccm de Ar com 1 sccm de O2 para a primeira corrida e 2 sccm para a segunda corrida. A pressão de trabalho foi definida em 0,2 mtorr. Uma tensão de bias de -120V foi aplicada ao substrato para a primeira corrida e -60 para a segunda. Uma camada base de Zn puro foi depositada por 10 minutos, seguida de uma deposição do filme de ZnO por 60 minutos. Foi utilizada uma amostra de ZK60 para a corrida 1 e ZK60 + 1,5% MM para a corrida 2. Estas amostras serão denominadas Z120 e ZM60, respectivamente. Caracterização As amostras foram avaliadas via microscopia eletrônica e varredura utilizando um filamento de emissão de campo (MEV-FEG), na investigação da micro e nano estrutura dos recobrimentos e a textura foi avaliada por meio de difração de raios-x (DRX) utilizando a varredura convencional com posições de 2 teta variando de 10,03° a 69,98°.
Resultado e discussão
Foram então realizadas imagens por meio da microscopia eletrônica de varredura
(MEV) do topo e da seção transversal da amostra, que podem observados na Figura
1. As imagens foram obtidas dos filmes de ZnO produzidos à tensão de bias de -60
V. Não é possível distinguir a morfologia das colunas, porém é possível observar
que os filmes apresentam boa adesão ao substrato, além de apresentarem aspecto
compacto e denso. Não se observam fissuras ou espaçamentos intercolunares que
possam permitir o acesso de espécies corrosivas ao substrato. Os filmes obtidos
a -60 V apresentam espessura média de aproximadamente 1,72 µm, acompanhando a
superfície do metal-base, enquanto as amostras obtidas a -120 V apresentam
espessura de aproximadamente 4 µm.
Por meio da Difração de Raios-x foi possível acessar a orientação
cristalográfica dos filmes, assim como o impacto da variação de tensão no
crescimento e orientação dos filmes obtidos. Os difratograma indexados para o
ZnO podem ser vistos na Figura 6. Os recobrimentos são randomicamente
orientados, visto que ocorrem picos intensos para diversas famílias de planos.
Estes picos podem, para melhor entendimento, ser divididos nas famílias de
planos da célula hexagonal compacta, sendo elas divididas em Basal, identificada
pela família em [0 0 0 1], Piramidal I e II, identificadas em [1 0 -1 1] e [1 0
-2 1] e a Prismática I e II, identificada em [1 0 1 0] e [1 1 -2 0]. (AVEDESIAN,
et al 1999; FRIEDRICH, et al 2006) A partir dessas informações, observando os
picos observados no DRX apresentado na Figura 2, é possível definir que
provavelmente houve uma maior tendência de crescimento nos planos da família
piramidal e prismática. Isso significa que houve uma verticalização das colunas,
e uma diminuição da distribuição dos planos.
Imagens de MEV obtidas das amostras a) Vista de topo \r\nda amostra Z120 obtida por SE b) Vista lateral da \r\namostra Z120 c)Vista lateral ZM60
Difratogramas medidos em varredura convencional \r\nobtidos nas amostras a) Z120 b) ZM60
Conclusões
A partir dos dados obtidos foi possível identificar • Os filmes obtiveram boa adesão ao substrato, com superfície porosa e lateral densa • O aumento na tensão de bias promoveu mudança na direção de crescimento dos filmes, tornando-os, ainda que texturizados, com uma possível orientação preferencial no plano basal, associada à diminuição da energia cinética e taxa de deposição promovidas pelo aumento a tensão de bias.
Agradecimentos
Agradecemos à CAPES pelo apoio financeiro neste trabalho, ao PPGQ-UFVJM, EESC-USP e ao grupo de pesquisa em Magnésio e Hidrogênio da UFVJM-Janaúba.
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