Síntesis y estudio del comportamiento de bicapas de tungsteno, carburo de tungsteno (W/WC) obtenidas por la técnica sputtering DC

Abstract

En este trabajo de investigación se presentan los resultados obtenidos en el proceso de producción y caracterización de recubrimientos en monocapas de Tungsteno (W), Carburo de Tungsteno (WC) y bicapas de (W/WC) sintetizados sobre sustratos de acero inoxidable AISI 316L, por medio de la técnica PAPVD Sputtering DC no reactivo asistida por campo magnético. Los recubrimientos fueron obtenidos usando dos blancos como material de aporte, un blanco circular metálico de W de 2” de diámetro y 99.995% de pureza para la capa inicial de W y un blanco de WC de 2” de diámetro y pureza 99.995% para la capa final de WC, todos los recubrimientos se obtuvieron en una atmosfera de Argón variando la temperatura del sustrato a temperatura ambiente (RT), 100, 200 y 300°C. Los recubrimientos fueron caracterizados mediante la técnica de Espectroscopia de Energía Dispersiva de Rayos X (EDX) donde se observo una disminución en la concentración del porcentaje atómico de Carbono con respecto al Tungsteno, de lo cual se puede inferir la formación de una fase subestequiometrica del compuesto. Los resultados de Difracción de Rayos – X mostraron la presencia de la fase cubica BCC de la capa de W y de la fase FCC de la capa de WC, además se encontró una mayor orientación en la dirección (200), también se calculo el tamaño de cristalito y la microdeformación para los recubrimientos de W/WC en función de la temperatura de crecimiento donde se observo un mejor comportamiento para la bicapa crecida a 300°C. Se realizaron estudios de composición química empleando Espectroscopía Raman y Espectroscopía Auger. Los resultados obtenidos por Raman evidencian la presencia de enlaces W-O, W-C y W=C, lo cual se confirma en los resultados obtenidos por Espectroscopía Auger, además por medio del perfil de profundidad se observo el comportamiento de las monocapas del recubrimiento en función del tiempo de erosión. Por medio de Microscopia Electrónica de Barrido (SEM), Microscopia de Fuerza Atómica (AFM) y Perfilometria se estudio la morfología de las capas a base de W en función de la temperatura de deposición y se observo una leve disminución tanto en la rugosidad como en el tamaño de grano, mientras el espesor de las bicapas presento una leve tendencia a aumentar. Para las capas de WC crecidas sobre el acero 316L se pudo observar por medio de SEM la pobre adherencia que estas capas presentan cuando no se genera la capa intermedia de W. Por otro lado, los estudios de nanodureza revelaron que superficies densas con granos finos y baja rugosidad presentan una mayor de dureza. El comportamiento tribológico de los recubrimientos tanto en monocapa como bicapa fue medido usando un sistema Ball on Disc, donde de observo una disminución en el coeficiente de fricción y la tasa de desgaste para las bicapas, sin embargo no se presenta una influencia significativa con respecto a las temperaturas de deposición (Texto tomado de la fuente)

This research presents the results obtained in the process of production and characterization of Tungsten (W), Tungsten Carbide (WC) coatings and (W/WC) bilayers, synthesized on stainless steel AISI 316L substrates by DC nonreactive sputtering technique assisted by magnetic fields PAPVD. Coatings were obtained using two targets, a circular W metal target 2" in diameter and 99.995% purity for the initial layer of W and a WC target 2" in diameter and 99.995% purity for final WC layer. All coatings were obtained in an argon atmosphere by varying the substrate temperature at room temperature (RT), 100, 200 and 300 °C. The coatings were characterized using Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) where it was observed a decrease in the concentration of Carbon atomic percentage with respect to Tungsten, infering the formation of a sub-stoichiometric phase of the compound. X-ray Diffraction results showed the presence of the cubic BCC phase of the W layer and the FCC phase of the WC layer and found a major orientation in the direction (200). Also the crystallite size and microstrain were calculated for the W/WC coatings according to the temperature of growth, where An improved behavior is observed for the bilayer grown at 300°C. Studies of chemical composition were realized using Raman Spectroscopy and Auger Spectroscopy. The results obtained by Raman demonstrate the presence of W-O, W-C and W=C linkages, confirmed in the results obtained by Auger Spectroscopy, also by means of the depth of profile behavior of the monolayers was observed according to the time of erosion. Using Scanning Electron Microscopy (SEM), Atomic Force Microscopy (AFM) and Profilometry the morphology of the W-based coatings was studied as a function of deposition temperature. A slight decrease was observed in both the roughness and in grain size, while the thickness of the bilayers presented a slight tendency to increase. For the WC layers grown on the steel 316L it was possible to observe by means of SEM, the poor adhesion that these layers present, when the intermediate layer of W is not generated. On the other hand, studies of nanohardness revealed that dense surface with fine grains and low roughness presented a higher hardness. Tribological behavior of the coatings both in monolayer and bilayer were measured using a Ball on Disc system, where noted a decrease in the coefficient of friction and the wear rate for bilayers, however it does not show a significant influence with regard to the temperatures of deposition