Modelamento matemático da cinética de crescimento da camada nitretada em ligas FeAl-40%

Abstract

A indústria moderna enfrenta desafios constantes na procura de materiais que satisfaçam a crescente procura de produtos inovadores. A liga Fe-Al Grau 3 B2 apresenta uma perspectiva atraente devido às suas propriedades mecânicas e térmicas únicas. Embora melhorias incrementais tenham sido feitas, os desafios relacionados à dureza e à resistência à corrosão permanecem. Neste contexto, a nitretação tornou-se um método eficaz para melhorar as propriedades da liga. Assim, este trabalho visa realizar o modelamento matemático do crescimento da camada nitretada da liga Fe-Al Grau 3 B2, buscando compreender os fenômenos físicos e químicos presente no processo e assim garantir um maior controle da espessura da camada nitretada permitindo ajustar os parâmetros do processo de nitretação para atender a requisitos específicos de projeto. As amostras de FeAl40% passaram por um processo de decapagem por sputtering para a limpeza superficial em uma atmosfera de 60at.% de Ar + 40at.% de H2 . Posteriormente foi realizada a nitretação por plasma sob uma atmosfera de 95at.% de N2 + 5at.% de H2 . No processo de nitretação os parâmetros que foram modificados incluem a temperatura e o tempo. A microestrutura foi avaliada por meio de diversas técnicas, incluindo Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM), Microanalisador por Sonda de Elétrons (EPMA), Difração de Raios-X de Incidência Rasante (GIXRD), Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) e Tomografia por Sonda Atômica (APT). Os resultados obtidos durante a pesquisa revelaram uma complexidade na dinâmica da nitretação assistida por plasma, destacando fenômenos como a precipitação descontínua correlacionada com a formação de lamelas de Fe-α e AlN. Observou-se uma diferença relativa entre os valores experimentais e teóricos para a constante de crescimento da camada nitretada, tendo a maior variação de (47%) ocorrendo a 400°C, enquanto a menor (8%) a 645°C. Foram identificados alguns fatores que podem impactar no cálculo da camada nitretada, tais como uma pré-nitretação durante o processo de decapagem devido à contaminação de nitrogênio no reator. Outro fator que pode impactar, é a utilização da concentração de nitrogênio na Fe-α por meio do diagrama binário Fe-N, em vez do diagrama ternário Fe-Al-N. Assim, o trabalho busca aprofundar os estudos nos mecanismos envolvidos na formação da camada nitretada contribuindo para o desenvolvimento de ligas aprimoradas.

The modern industry faces constant challenges in the search for materials that meet the growing demand for innovative products. The Fe-Al Grade 3 B2 alloy presents an attractive perspective due to its unique mechanical and thermal properties, making it promising for applications in the automotive, aerospace, and energy industries. Although incremental improvements have been made, challenges related to hardness and corrosion resistance persist. In this context, nitriding has become an effective method to enhance the alloy's properties. Thus, this work aims to perform mathematical modeling of the nitrided layer of the Fe-Al Grade 3 B2 alloy, seeking to understand the physical and chemical phenomena present in the process and ensure better control of the nitrided layer thickness, allowing adjustment of nitriding process parameters to meet specific design requirements. FeAl40% samples underwent a sputter cleaning process for surface cleaning in an atmosphere of 60at.% Ar + 40at.% H2 . Subsequently, plasma nitriding was carried out under an atmosphere of 95at.% N2 + 5at.% H2 . In the nitriding process, the studied parameters included temperature and time. The microstructure was evaluated using various techniques, including Scanning Electron Microscopy (SEM), Electron Probe Microanalyses (EPMA), Grazing Incidence X-ray Diffraction (GIXRD), Transmission Electron Microscopy (TEM), and Atom Probe Tomography (APT). The results obtained during the research revealed complexity in the dynamics of plasma-assisted nitriding, highlighting phenomena such as discontinuous precipitation correlated with the formation of Fe-α lamellae and AlN. A variation between experimental and theoretical values for the nitrided layer growth constant was observed, with the highest variation (47%) occurring at 400°C, while the lowest (8%) at 645°C. Some factors impacting the nitrided layer calculation were identified, such as pre-nitriding during the sputter cleaning process due to nitrogen contamination in the reactor. Another factor that may impact is the use of nitrogen concentration in Fe-α through the Fe-N binary diagram instead of the Fe-Al-N ternary diagram. Thus, the work seeks to deepen the studies on the mechanisms involved in the formation of the nitrided layer, contributing to the development of enhanced alloys.