Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica

TREBALL FI DE GRAU Grau en Enginyeria Mecànica ESTUDI DEL COMPORTAMENT A FRICCIÓ D’ALIATGES DE TITANI MITJANÇANT MICROSCÒPIA DE FORÇA ATÒMICA Memòria Autor: Homer Texidó Frangioni Director: Joan Josep Roa Rovira Co-Director: Gemma Fargas Ribas Ponent: - Convocatòria: Juny 2017 Memoria ii Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 1 Resum El present Treball de Fi de Grau amb títol “Estudi del comportament a fricció d'aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica” s’ha realitzat en el departament de ciència dels materials i enginyeria metal·lúrgica de l’Escola d’Enginyeria de Barcelona Est (EEBE-UPC). Principalment, es pretén investigar l’efecte de l'anisotropia mecànica (principalment en el coeficient de fricció) en dos aliatges de titani, Ti-6Al-4V i Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. L'objectiu d’aquest treball és centra en l’investigació i la determinació del coeficient de fricció en funció de l’orientació cristal·lina, per tal de contestar la següent pregunta: A nivell local, els aliatges de Ti son isotròpics o anisotròpics pel que fa al coeficient de fricció? Per aconseguir-ho s'ha realitzat una preparació metal·logràfica (desbast i polit), l'anàlisi cristal·logràfic a partir de la tècnica de difracció d'electrons per retrodispersió (EBSD) i per últim, determinar el coeficient de fricció en unes determinades orientacions cristal·lines mitjançant microscòpia de forces laterals o de fricció (Lateral force microscopy, LFM). Dels resultats obtinguts s'ha pogut veure que a nivell local, on hi ha menys fricció és el límit de gra. Els diferents grans presenten diferents coeficient fricció en funció de la direcció cristal·lografica quan el titani és hexagonal (HCP). Memoria 2 Resumen El presente Trabajo de Fin de Grado con título "Estudio del comportamiento a fricción de aleaciones de titanio mediante microscopía de fuerza atómica" se ha realizado en el departamento de ciencia de los materiales e ingeniería metalúrgica de la Escuela de Ingeniería de Barcelona Este (EEBE-UPC). Principalmente, se pretende investigar el efecto de la anisotropía mecánica (principalmente en el coeficiente de fricción) en dos aleaciones de titanio, Ti-6Al-4V y Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. El objetivo de este trabajo se centra en la investigación y la determinación del coeficiente de fricción en función de la orientación cristalina, para contestar la siguiente pregunta: A nivel local, las aleaciones de Ti son isotrópicos o anisotrópicos en cuanto al coeficiente de fricción? Para ello se ha realizado una preparación metalográfica (desbaste y pulido), el análisis cristalográfico a partir de la técnica de difracción de electrones por retrodispersión (EBSD) y por último, determinar el coeficiente de fricción en unas determinadas orientaciones cristalinas mediante microscopía de fuerzas laterales o de fricción (Lateral force microscopy, LFM). De los resultados obtenidos se ha podido ver que a nivel local, donde hay menos fricción es el límite de grano. Los diferentes granos presentan diferentes coeficientes de fricción en función de la dirección cristalográfica cuando el titanio es hexagonal (HCP). Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 3 Abstract The present final project degree titled Study of friction behaviour of titanium alloys by atomic force microscopy have been realized in the material science and metallurgical engineering department on Barcelona East School of Engineering (EEBE-UPC). The present study aimed to investigate the mechanical anisotropy effect (mainly the friction coeficient) in two titanium alloys, Ti-6Al-4V and Ti6Al-2Sn-4Zr-2Mo. The main objective of the project is researching and determine the friction coefficient according to crystallographic direction to assert the next hypothesis: In a local level, are titanium alloys isotropics or anisotropics in terms of friction coeficient? To achieve it was carried out a careful metallographic preparation (grinding and polishing), crystallografic analysis from an Electron Backscatter Diffraction analysis (EBSD) and a friction test in a specific crystal orientations by Lateral Force Microscopy (LFM). From the results obtained it has been possible to see that at the local level where there are less friction is in the grain boundary. The different grains have differents friction coeficients according crystallographic direction when the titanium is hexagonal (HCP). Memoria 4 Agraïments En primer lloc m’agradaria agrair al meu tutor Joan Josep Roa i a la codirectora del TFG, Gemma Fargas, l’oportunitat de poder realitzar aquest projecte, així com pel seu suport i dedicació en tot moment. També agrair a l’Isaac López per l’anàlisi d’imatges mitjançant SEM. Per últim, agraeixo sincerament els meus pares i germà pel suport i confiar amb mi en tot moment. Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 5 Glossari ACV Anàlisi del cicle de vida AFM Microscòpia de forces atòmiques AM-AFM Mode de modulació d’amplitud en la microscòpia de forces atòmiques BCC Cúbica Centrada en el cos BKD Difracció de bandes de Kikuchi per retrodispersió dhkl Distància interplanar EBSD Difracció d'electrons per retrodispersió EBSP Patrons visibles d'electrons retrodispersats f0 Freqüència de ressonància FA Força per desenganxar dos cossos Ff Força de fricció Fv Força vertical HCP Hexagonal compacte hkl Índexs de miller IC Índex de confiança IPF Figura inversa de pols IQ Imatge de qualitat kl Constant de molla lateral LFM Microscòpia de forces laterals M.O Microscòpia òptica MET Anàlisi de material utilitzat, energia consumida i emissions tòxiques MMC Compost de matriu metàl·lica Ms Massa de l’objecte lliscat MS Temperatura de formació de martensita Sa Rugositat mitjana superficial SEM Microscopi electrònic de rastreig SFA Aparell de forces superficials SPM Microscòpia de sonda de rastreig STM Microscòpia d’efecte túnel Tβ Temperatura al·lotròpica β-transus δ Mida de pas Δx Flexió vertical de la palanca Δy Torsió lateral de palanca θ Angle Hough λc Freqüència de tall μ Coeficient de fricció ρ Distància perpendicular de la línia respecte l’origen φ1, φ, φ2 Angles d’Euler Memoria 6 Índex RESUM _____________________________________________________________ 1 RESUMEN __________________________________________________________ 2 ABSTRACT __________________________________________________________ 3 AGRAÏMENTS _______________________________________________________ 4 GLOSSARI __________________________________________________________ 5 1. INTRODUCCIÓ __________________________________________________ 8 1.1. Objectius del treball ................................................................................................. 8 1.2. Abast del treball ....................................................................................................... 8 2. MARC TEÒRIC ___________________________________________________ 9 2.1. Estructura cristal·lina i aspectes metal·lúrgics del titani ......................................... 9 2.2. Classificació dels aliatges de Titani ........................................................................ 10 2.2.1. Aliatges de titani α i “near-α” ............................................................................... 11 2.2.2. Aliatges de titani α+β ............................................................................................ 11 2.2.3. Aliatges de titani metastables i β .......................................................................... 12 2.3. Producció dels aliatges de titani ............................................................................ 13 2.4. Microestructura, processos termomecànics i propietats mecàniques. ............... 15 2.5. Aplicacions dels aliatges de titani .......................................................................... 22 2.6. Perfilometria Òptica .............................................................................................. 24 2.6.1. Microscòpia confocal ............................................................................................ 25 2.6.2. Microscòpia interferomètrica ............................................................................... 26 2.6.3. Rugositat ............................................................................................................... 27 2.7. Tècnica de difracció d'electrons retrodispersats (EBSD) ...................................... 30 2.7.1. Mapes d’interpretació del EBSD ........................................................................... 35 2.8. Microscòpia de sonda de rastreig ......................................................................... 39 2.8.1. Microscòpia de Forces Atòmiques (AFM) ............................................................ 39 2.8.2. Microscòpia de forces laterals o de fricció (LFM) ................................................. 42 3. PROCEDIMENT EXPERIMENTAL ____________________________________ 47 3.1. Material estudiat ................................................................................................... 47 3.1.1. Ti-6Al-4V ................................................................................................................ 47 3.1.2. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo ............................................................................................... 47 Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 7 3.2. Preparació de les mostres ...................................................................................... 48 3.2.1. Tall ......................................................................................................................... 48 3.2.2. Embotició en calent .............................................................................................. 48 3.2.3. Desbast ................................................................................................................. 49 3.2.4. Polit ....................................................................................................................... 50 3.3. Anàlisis de rugositat superficial ............................................................................. 51 3.4. Difracció d'electrons per retrodispersió (EBSD) .................................................... 51 3.4.1. Preparació de les mostres i paràmetres per l'anàlisi amb EBSD ......................... 51 3.5. Microscopia de forces atòmiques, AFM ................................................................ 53 3.5.1. Assaig tribològic .................................................................................................... 55 4. RESULTATS ____________________________________________________ 59 4.1. Rugositat superficial ............................................................................................... 59 4.1.1. Perfil de superfície Ti-6Al-4V ................................................................................ 59 4.1.2. Perfil de superfície Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo ............................................................... 62 4.2. EBSD ....................................................................................................................... 67 4.2.1. Mapa e qualitat (QI, quality image) ..................................................................... 67 4.2.2. Mapa de Fases ...................................................................................................... 70 4.2.3. Mapa IPF ............................................................................................................... 71 4.3. AFM ........................................................................................................................ 73 4.3.1. Aliatge Ti-6Al-4V ................................................................................................... 73 4.3.2. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo .............................................................................................. 76 5. ANÀLISI DE L’IMPACTA AMBIENTAL ________________________________ 77 6. CONCLUSIONS _________________________________________________ 79 7. PRESSUPOST I/O ANÀLISI ECONÒMICA _____________________________ 81 7.1. Cost matèria prima ................................................................................................ 81 7.2. Cost material .......................................................................................................... 81 7.3. Cost utilització de les màquines............................................................................. 82 7.4. Cost del personal .................................................................................................... 83 7.5. Cost total del projecte ............................................................................................ 83 8. BIBLIOGRAFIA __________________________________________________ 85 Memoria 14 Taula 2. Etapes procés Kroll. Etapa Temperatura 1 800ºC TiO2(sòlid) + 2C(sòlid) + Cl2(gas) → TiCl4(gas) + 2CO(gas) 2 800ºC TiCl4(gas) +2Mg(líquid) → Ti(sòlid) + 2MgCl2(líquid) 3 700ºC 2MgCl2(líquid) → 2Mg(líquid) + 2Cl2(gas) - El procés kroll obté titani sòlid en forma d'esponja. El lingots de titani i els dels aliatges de titani s'obtenen per compactació de l'esponja i fusió del producte a l’arc elèctric en atmosfera de gas inert (Ar). - Transformació dels lingots mitjançant processos tèrmics i mecànics per obtenir productes com barres, làmines, tires, cables etc. Figura 4. Extracció de l’esponja de titani en el procés Kroll [2]. Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 15 2.4. Microestructura, processos termomecànics i propietats mecàniques. La microestructura té una influència substancial en les propietats dels aliatges de titani, la qual depèn del paràmetres termomecànics, així com de la composició química. En altres paraules, la microestructura ve governada per les fases α i β , però principalment per la seva mida, forma i distribució dins de l’aliatge de titani [3]. Els dos casos extrems són la microestructura laminar, que es genera durant el refredament des del camp de fase B, i la microestructura equiaxial, que és el resultat d'un procés de recristal·lització. Tots dos tipus de microestructura poden tenir una estructura fina, així com gruixuda. La influència de les diferents microestructures en el comportament mecànic dels aliatges de titani es pot veure a la Taula 3. En aquesta taula, es mostra qualitativament com la mida de les fases (microestructura fina i gruixuda), d'una banda, i l'estructura de les fases (microestructura laminar i/o equiaxial). Taula 3. Influencia de les porpietats mecàniques seleccionades dels aliatges de titano segons la seva microestrucutra. [3] Fina Gruixuda Propietat Laminar Equiaxial o o Mòdul elàstic o +/- (textura) + - Resistència - + + - Ductilitat - + - + Tenacitat a la fractura + - + - Resistència a la formació i creixement d'esquerdes per fatiga - + - + Resistència a la propagació d'esquerdes per fatiga + - - + Resistència a la termofluencia + - + - Superplasticitat - + + - Oxidació + - Memoria 16 Els aliatges de titani de dues fases com els “near-α” i α + β presenten aquests tipus de microestructures: laminar i/o equiaxial amb una distribució bimodal. Generalment, les diferents microestructures són generades per diferents tractaments termomecànics. Un punt central per al tractament termomecànic és la temperatura β – transus, Tβ, ja que separa el camp de fase β del camp de dues fases α + β. Tal com s’aprecia en la Figura 5, la microestructura i les propietats mecàniques dels materials són el resultat de diferents paràmetres en cada fase del procés termomecànic aplicat. Figura 5. Tractament termomecànic dels aliatges de titani [3]. La microestructura laminar és el resultat d'un refredament des de temperatures superiors a la temperatura Tβ. Una vegada que la temperatura cau per sota d’aquesta temperatura, la fase α es comença a formar en els límits de gra i després creix en forma de làmines dins la fase β inicial, veure Figura 6 [3]. Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 17 Figura 6. Formació de l’estructura laminar en aliatges de titani [3]. L'estructura laminar pot ser fina o gruixuda en funció de la velocitat de refredament. Una velocitat de refredament lenta dels del camp de la fase β, genera una microestructura laminar pura, el gruix de l'estructura laminar augmenta a mesura que la velocitat de refredament es redueix, Figura 7. Figura 7. Efecte de la velocitat de refredament en la microestructura laminar del Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo després de refredar-lo des d’una temperatura superior a la Tβ, a) 1 ºC/min, b) 100 ºC/min, c) 8000 ºC/min. [3] Un refredament ràpid des del camp de fase β permet que apareix-hi martensita transformada en la fase β, donant com a resultat un estructura laminar molt fina, semblant a una agulla (Figura 8). La transformació martensítica en els acers es pot observar un increment considerable de la duresa i resistència, però, en el titani, aquest efecte és moderat [3]. Memoria 18 Figura 8. Aparició de martensita transformada en el Ti-6Al-4V per refredament ràpid des del camp de fase β [3]. Les mostres refredades lentament des de la fase bifàsica, α + β (Figura 9) mostren la fase β com una petita costura al voltant de la fase α laminar i gruixuda. Figura 9. Formació de microestructura laminar gruixuda en el Ti-6Al-4V per refredament lent des del camp bifàsic, α + β [3]. Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 19 Mentre que per altes velocitats de refredament des de temperatures per sobre de la temperatura de formació de martensita (MS) però dins del camp de fase α + β, la fase β es transforma en martensita, Figura 10. Figura 10. Formació de martensita en el Ti-6Al-4V per refredament ràpid des d’una temperatura superior a la MS i dins del camp bifàsic [3]. Quan la temperatura és inferior que la MS la fracció de volum de fase β és tant petita que ja no és capaç de transformar-se en martensita per molt que la velocitat de refredament sigui elevada, veure Figura 11. Figura 11. Formació d'estructura laminar en el Ti-6Al-4V per refredament ràpid des d’una temperatura inferior a la MS i dins del camp bifàsic [3]. Al contrari de la microestructura laminar, la equiaxial, és el resultat d’un procés de recristal·lització. Per tant, l’aliatge prèviament s’ha de sotmetre a gran deformació dins del camp bifàsic (α + β) per aconseguir el suficient grau de deformació en fred. Després d’un tractament tèrmic de recuit a una temperatura dins del camp bifàsic (≈ 960-750ºC per a un contingut en Vanadi del 4 % en pes) s’obté una microestructura recristal·litzada equiaxial amb una microestructure fina, veure Figura 12a. Si Memoria 20 s’allarga el temps del tractament tèrmic de recuit, la microestructura equiaxial és mes gruixuda, veure Figura 12b [3]. Figura 12. Microestructura equiaxial del Ti-6Al-4V després de la recristal·lització, a) fina i b) gruixuda. [3] La temperatura de recuit determina la fracció volumètrica de la fase primària α, i una temperatura de recuit < Tβ, genera l’estructura bimodal (o dúplex) que consisteix en fase d’α-primària equiaxial amb matriu laminar d’α + β (Figura 13). Aquesta microestructura pot considerar-se com una combinació de l’estructura laminar i equiaxial [3]. Figura 13. Microestructura bimodal de l'aliatge Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo [3]. Tal i com s’observa en la literatura, les diferents microestructures tenen una gran influencia en el comportament mecànic dels aliatges de titani [3]. Les microestructures fines incrementen la resistència mecànica i la ductilitat. A més a més, retarden la nucleació d’esquerdes i presenten superplasticitat. Per altra banda, les microestructures gruixudes són més resistents a la fluència i a la propagació d’esquerdes per fatiga. La microestructura equiaxial sovint presenten gran ductilitat, resistència a la fatiga i superplasticitat, mentre que l’estructura laminar presenta alta tenacitat a la fractura i una resistència a fluència i propagació d’esquerdes per fatiga superior. Com que la Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 21 microestructura bimodal combina els avantatges de l'estructura laminar i equiaxial, mostra un perfil de propietats molt bo tal i com s’observa en la Taula 4. Taula 4. Influencia en les propietats mecàniques seleccionades segons el tipus d'aliatge de titani [3]. Propietat α α+β β Densitat + + - Resistència - + ++ Ductilitat -/+ + +/- Tenacitat a la fractura + -/+ +/- Resistència a la termofluencia + +/- - Corrosió ++ + +/- Oxidació ++ +/- - Soldabilitat + +/- - Conformació en fred -- - -/+ En general, les propietats de les diferents classes d’aliatges del titani depenen principalment de l'estructura, fracció de volum i les propietats individuals de cadascuna de les fases α i β [3]. Els aliatges α+β i β tenen una densitat més alta que els aliatges de titani α ja que contenen aliatges pesants com el V o el Mo. En termes de resistència, els aliatges de titani α mostren una resistència moderada ja que estan constituïts només de fase α. Pel contrari, els aliatges α+β i β estan constituïts per una mescla de dues fases, i per tant, tenen una resistència més alta. Però l'alta resistència dels aliatges . fa que es caracteritzin per la baixa ductilitat. A més, la ductilitat i la tenacitat de fractura depenen fortament del tipus de microestructura (per exemple, fina, gruixuda, laminar, equiaxial). L’excel·lent resistència a la termofluència dels aliatges near-α és per la limitació difusiva dels àtoms i la dificultat de deformació de l’estructura cristal·lina Hexagonal Compacte (HCP) en comparació a la Cúbica Centrada en el Cos (BCC). L’excel·lent resistència a la corrosió dels aliatges de titani és conseqüència de la fina, densa i protectora capa d’òxid (TiO2), formada a temperatura ambient. En general, els aliatges α són més resistents a la corrosió que els β. D'altra banda, els aliatges de titani Memoria 22 presenten una pèssima resistència a l'oxidació a conseqüència de l’alta reactivitat del titani amb l’oxigen, i és més favorable a altes temperatures [1]. Per millorar les propietats dels materials, i en particular dels aliatges de titani, existeixen principalment dues formes de fer-ho: (i) afegint-hi elements aleants i (ii) modificant el processament del material. Recentment una tercera opció està guanyant importància; la producció de materials compostos, tal i com s’observa en la Figura 14. Figura 14. Formes de modificar les propietats dels aliatges de titani [3]. L'agregació d'elements estableix la base per incrementar la resistència, permeten la generació d'estructures ordenades, determinant la majoria de les propietats físiques i controlant la resistència química del material (com per exemple l’oxidació, la corrosió, etc.) [3]. El processament permet el balanç de propietats. Depenen de la propietat especifica per a l'aplicació final, es poden generar diferents microestructures pels aliatges de titani per mitja de tractaments termomecànics per tal d’optimitzar la resistència, la ductilitat, la tenacitat, la superplasticitat, la resistència a la corrosió, la termofluència, etc. La tercera opció combina diferents materials per crear un compost amb un comportament superior, el qual segueix una simple regla de mescles de les propietats individuals del component. En aquest cas, els aliatges de titani i els alumini s'enforteixen amb partícules o fibres per a convertir-se en compostos de matriu metàl·lica (“metallic matrix composites”, MMC). 2.5. Aplicacions dels aliatges de titani La indústria aeroespacial cada cop fa més ús del titani en les seves aplicacions com mostra la Figura 15 [4]. Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 23 Les principals raons pel qual s’utilitza el titani en aplicacions aeroespacials es poden resumir en els següents punts: 1) Reducció de pes, remplaçant aliatges de ferro i níquel, els quals són més pesats. 2) Es guanya espai, reemplaçant aliatges d’alumini. 3) Millora en el comportament a la temperatura de servei, reemplaçant els aliatges d'alumini. 4) Resistència a la corrosió, reemplaçant els aliatges de ferro i alumini. 5) Compatibilitat amb compostos de matriu polimèrica, reemplaçant aliatges d'alumini i ferro de baix contingut en carboni. Figura 15. Percentatge de compostos, aliatges d'alumini, titani i ferro utilitzats en materials estructurals d’avions i motors de turbines de gas. [4] Per tots aquests motius els aliatges de titani són el segon material més utilitzats en els motors d’avions comercials (36%), per sota dels superaliatges de níquel (39%). Els components d’un motor d’una turbina de gas poden estar sotmesos a altes tensions mecàniques i tèrmiques durant els seu servei. Aquestes condicions en servei requereixen una selecció de materials que posseeixin una alta resistència i una alta tolerància tèrmica que els aliatges de titani tenen [4]. Hi ha diversos tipus d’aliatges utilitzats en aplicacions aeroespacials, però pels components del motor s’utilitzen generalment els dos més importants, Ti-6Al-4V i Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. Com es mostra a la Figura 16, el Ti-6Al-4V s’utilitza per components estàtics i rotatius com per exemple, per les aspes del ventilador, els àleps del compressor, on les temperatures en servei no superen els 315 ºC; si superen aquesta temperatura, s’utilitza el Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo [4]. Memoria 30 2.7. Tècnica de difracció d'electrons retrodispersats (EBSD) En el camp de la Ciència i Enginyeria dels Materials està completament involucrat amb la manipulació de les propietats dels materials, amb l'objectiu de controlar les característiques mecàniques que aquests presenten. Amb aquest propòsit, es desenvolupa la tècnica de difracció d'electrons retrodispersats (EBSD, electron backscatered diffraction). La tècnica EBSD s'utilitza per estudiar l'estructura cristal·lina dels materials. Entre els aspectes més rellevants que poden ser calculats per aquesta tècnica es troben la identificació de fases cristal·logràfiques presents en el material, l'anàlisi de l'orientació individual dels cristalls, tipus de límits de gra, la seva distribució i mida, entre d’altres [11]. La difracció d'electrons retrodispersats, també coneguda com a difracció per retrodispersió Kikuchi (BKD), és una tècnica basada en el microscopi electrònic de rastreig (SEM, scanning electron microscopy). A l'EBSD els electrons accelerats en el feix principal d'un SEM poden ser difractats per les capes atòmiques en materials cristal·lins. Aquests electrons difractats poden ser detectats i generen un patró compost per línies d'intersecció, denominant-se patrons visibles d'electrons retrodispersats (EBSP) o també anomenats línies o bandes de Kikuchi. Com es veu a la Figura 23, la mostra és posicionada al SEM a 70º respecte a la direcció normal en que incideixen el feix d'electrons. El detector és principalment una càmera amb una pantalla de fòsfor incorporada amb una captura d'imatges digitals. Figura 23. Esquema bàsic de l'equipament EBSD [11,15]. Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 31 Les bandes o línies de Kikuchi difractades estan directament relacionades amb l’estructura de la xarxa cristal·lina de la regió analitzada. D’aquesta manera, el patró del EBSP es genera amb els electrons que compleixen la llei de Bragg de la difracció, veure Figura 24 [11]. Figura 24. Llei de Bragg [11,12]. Quan el patró de difracció ha sigut generat en la pantalla de fòsfor, el detector EBSD transforma cada electró en fotó. D’aquesta manera, el senyal d’electrons retrodispersats es transforma en un senyal de llum visible, que serà captada per la càmera del detector, veure Figura 25 [11]. Figura 25. Generació del patró de difracció (EBSP) a la pantalla de fòsfor [11,13]. L'anàlisi del patró de difracció i les línies de Kikuchi proporcionen informació clau sobre l’estructura cristal·lina de la fase analitzada [11]. - La simetria de la xarxa cristal·lina es reflecteix en el patró. - L’amplitud i la intensitat de les línies de difracció estan directament relacionades amb la separació dels àtoms en els plans cristal·lins. - Els angles entre línies estan directament relacionades amb els angles entre plans de la xarxa cristal·lina. Memoria 32 La informació obtinguda dels patrons és avaluada utilitzant conjuntament una base de dades cristal·logràfica i un programa específic per captar, analitzar i mostrar el resultat dels diferents patrons observats. Per tant, és possible identificar, per exemple, les diferents fases, mida i ubicació dels límits de gra, agregats policristal·lins, macles de recristal·lització, entre d’altres. Aquest programa específic utilitza una eina matemàtica anomenada transformada de Hough. Aquesta eina converteix les línies de Kikuchi en punts. Així, una línia es pot parametritzar pels paràmetres de Hough ρ i θ, on θ descriu l’angle de la línia de difracció i ρ representa la distancia perpendicular de la línia des del origen, veure Figura 26 [14]. Figura 26. Transformada de Hough [14]. La transformació consisteix en agafar quatre punts d’una línia de difracció. Per cada punt (x, y) en l’espai real, es calculen tots els possibles valors de ρ per valors de θ (0 a 180 graus), utilitzant l’equació 1. Això, produeix quatre corbes sinusoïdals a l’espai de Hough. Aquestes corbes es tallen en un punt, i per tant, aquest mètode permet transformar una línia de patró de difracció de l’espai real en un punt de l’espai de Hough que són més fàcils de localitzar pel dispositiu (Figura 26). A partir d’aquests es reconstrueixen i identifiquen digitalment les línies. 𝝆=𝒙 𝐜𝐨𝐬 𝜽+𝒚 𝐬𝐢𝐧 𝜽 (Eq.1) Una vegada que les línies han estat identificades, la interpretació del patró es basa en la comparació de la mesura dels angles interplanars (que corresponen els angles entre les línies de kikuchi) i la distància interplanar ( que esta representada a l’amplada de banda). El software compara els patrons teòrics de la base de dades del programa amb els patrons interpretats i captats per la càmera del detector. Aquest procés automàtic s’anomena indexat, tal com s’aprecia en la Figura 27 [14]. Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 33 Figura 27. Interpretació dels patrons analitzats [14]. El procés de comparació considera totes les possibles combinacions entre tres línies de bandes identificades. A cada trio se li associa dos angles de la base de dades teòrica. En funció de la tolerància admesa, és normal que existeixin varies solucions a la vegada per cada trio i al mateix temps, diferents trios poden arribar a tenir la mateixa solució [12]. Per la comparació dels valors interpretats dels angles de difracció amb els de la base de dades s’utilitza una metodologia basada en la votació. Per determinar quina és la millor solució, el software suma el conjunt de bandes que compleixen amb la solució teòrica i agafa aquella amb més conjunts de bandes. La Figura 28 es pot veure que la millor solució és la numero 3 amb 9 conjunts de bandes. Memoria 34 Figura 28. Metodologia basada en la votació [12]. Cada mesura que el sistema realitza durant la indexació va acompanyada d'un índex de confiança (IC), sent un indicatiu de la confiança de la mesura i la qualitat de la indexació. El IC s'expressa com: 𝑰𝑪 =𝑵𝟏− 𝑵𝟐 𝑵𝒔 (Eq.2) On N1 és el número de vots de la solució més votada; N2 el número de vots de la segona solució més votada i Ns el número total de solucions trobades. Com punt de partida, un IC major que 0,1 es considera una indexació adequada i tindrà un 95% de probabilitat d'estar correctament realitzada [12]. S'ha de tenir en compte unes consideracions pràctiques com ara la resolució espacial, la velocitat d'adquisició de dades i la precisió angular a l'hora d'avaluar amb EBSD. Una mesura fiable i precisa en l'EBSD depèn de les característiques de la mostra, preparació de la mostra, les condicions d'anàlisis i el mode d'adquisició de les dades. Sobretot, s'ha de prestar atenció a la mida de pas (δ), perquè s'obté una major precisió amb un pas més petit de píxels [11]. Alguns paràmetres cristal·logràfics utilitzats per caracteritzar una determinada fase són: els índexs de Miller (hkl), l'espaiat reticular o distància interplanar (dhkl), la intensitat de plans reticulars (Ihkl) i els Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 35 angles interplanars entre els diferents plans reticulars (ni, nj). A més, l'orientació es registra utilitzant la convenció dels angles d'Euler (φ1, φ, φ2) com es mostra a la Figura 29, basat en la metodología Bunge [11]. Figura 29. Angles Euler [11]. 2.7.1. Mapes d’interpretació del EBSD El programa de anàlisis desplega una gran varietat de eines i mapes que permeten analitzar les dades de manera quantitativa i qualitativa. A continuació, es descriuran tots els mapes i eines per tractar les dades que s’han utilitzat en el present projecte. 2.7.1.1. Mapes QI (Quality image), BC (Band contrast) o PQ (Pattern quality) Els mapes de qualitat (QI, quality image) d’una mostra permet representar el resultat de la qualitat d’interpretació del patró de difracció en un mapa de contrast de grisos. La qualitat de difracció del patró es basa principalment amb calcular la intensitat dels pics en les corbes sinusoïdals de l’espai de Hough per cada píxel analitzat. Aquest paràmetre de qualitat estarà associat a com de ben definides estan les posicions de les bandes en el EBSP. Per tant, el paràmetre estarà influenciat per un gran número de factors com la imperfecció de la xarxa cristal·lina, la preparació metal·logràfica, la contaminació de la superfície, la fases presents i les diferents orientacions que aquestes presenten. En aquests mapes es mostren els grans, fronteres de gra, l'estructura de gra interna i danys superficials com les possibles rallades que pugui contenir la mostra a analitzar. La Figura 30 es mostra un mapa de qualitat per una mostra de Ti-6Al-4V, on les àrees fosques indiquen una qualitat del patró pobre, mentre que les àrees més clares indiquen una qualitat més bona [13]. Memoria 36 Figura 30. Mapa IQ d’una mostra de Ti-6Al-4V [13]. 2.7.1.2. Mapes de fases El patró de Kikuchi detectat es genera quan el feix d’electrons interactua amb l’estructura cristal·lina de la capa superficial de la mostra. Això significa que el EBSP guarda informació de l’estructura cristal·lina. Analitzant el patró del EBSP, podem obtenir informació de la orientació cristal·lina i informació que permet distingir diferents estructures cristal·lines, per tant fases. Normalment els EBSP s’analitzen calculant els angles entre les bandes detectades. Amb aquesta informació ja és possible distingir fases que tenen diferent estructura cristal·lina. Els sistemes moderns més actuals són capaços de extreure informació sobre l’amplada de les bandes del EBSP, que ajuden a distingir fases de la mateixa estructura però diferents paràmetres de la xarxa cristal·lina. En un mapa de fases a cada punt se li assigna un color d’acord amb la fase que representa amb la seva llegenda i el tant per cent de cada fase trobada (Figura 31) [13]. Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 37 Figura 31. Mapa de fases d’una mostra d’acer dúplex [13, 15]. 2.7.1.3. Figura inversa de pols La textura cristal·logràfica pot ser definida com l'orientació preferencial dels grans, és a dir, la tendència estadística que els cristalls o grans d’un material policristal·lí estiguin orientats en una o més orientacions particulars. Existeixen diferents mètodes per representar la textura però en concret s’explicarà la figura inversa de pols (IPF, inverse pole figure) que és la que s’utilitzarà en el present projecte. El mapa IPF es tracta d’una representació dels resultats de l'escaneig del EBSD on cada punt analitzat se li assigna un color segons el pla cristal·logràfic que coincideix amb un pla de la mostra escollit (normalment el pla de la direcció z o direcció normal, ND “Normal direction” (Figura 34)). El mapa mostra una llegenda de colors com la que es pot veure a la Figura 32 i la forma i les direccions representades dependran de la simetria de l'estructura cristal·lina. Per exemple, per una estructura cristal·lina cúbica, els vèrtexs del triangle de la llegenda corresponen els plans cristal·logràfics (001), (101) i (111) (Figura 33) quan coincideixen amb el pla de la mostra escollit, i se'ls assigna el color Memoria 38 vermell, verd i blau respectivament. Els plans intermedis se'ls assigna una mescla de color entre aquest tres [13]. Figura 32. Simulació del mapa IPF amb la seva llegenda corresponent [12,13]. Figura 33. Plans cristal·logràfics de l'estructura cristal·lina cúbica: a) (001) b) (101) c) (111) [12,13]. Figura 34. Eixos de la mostra X,Y,Z o RD (Rolling direction),TD (transverse direction),ND (normal direction), respectivament [12,13]. Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 39 2.8. Microscòpia de sonda de rastreig La microscòpia de sonda de rastreig (SPM, scanning prove microscopies) és un terme que engloba un conjunt de tècniques per efectuar diverses mesures (mecàniques, elèctriques, magnètiques, etc.) que han evolucionat conjuntament o han permès evolucionar, segons el punt de vista, la ciència de materials i superfícies, impulsant la interacció amb la matèria a escala nanomètrica i subnanomètrica, i possibilitant la creació d'un nou camp: la Nanotecnologia [22]. La microscòpia SPM consisteix en aproximar una punta o "sonda" (probe) a una superfície que es vulgui visualitzar i mesurar la seva interacció entre la punta i la superfície. Movent la punta sobre la superfície (scanning) s'obté un mapa d'aquesta interacció i, per tant, una imatge de la mostra estudiada. En funció de la interacció que s'utilitzi hi ha diversos modes de treball així com diversos microscopis que abasten aquesta tècnica. Els microscopis més coneguts són el microscopi d'efecte túnel i el microscopi de força atòmica. Així doncs, el microscopi d'efecte túnel (STM; Scanning Tunnelling Microscope) mesura la corrent elèctrica que apareix entre la punta i la mostra quan apliquem una diferencia de potencial entre elles. El microscopi de força atòmica (AFM; Atomic Force Microscope) mesura les forces de la interacció que hi hagi entre la punta i la mostra quan es troben pròximes. El fet que tots aquests paràmetres d'interacció disminueixin ràpidament amb la distància, fa necessari que la distància entre la punta i la mostra en aquests microscopis sigui de l'ordre o inferior al nanòmetre, i és el que fa que aquestes tècniques siguin tan delicades, però, per altra banda, és el que proporciona l'altíssima resolució que s'obté, inclús s'arriba a fer visibles els àtoms de les superfícies que observem. En el transcurs d’aquest treball final de grau, utilitzaré el microscopi de forces atòmiques per tal d’estudiar i determinar el coeficient de fricció per a diversos aliatges de titani. 2.8.1. Microscòpia de Forces Atòmiques (AFM) El microscopi de forces atòmiques (AFM, atòmic force microscopy) és potser el més versàtil dels instruments que conformen la família dels microscòpis de sonda de rastreig composada, entre d’altres, per la Microscòpia d’efecte túnel (STM). En primer terme, l’AFM pot ser considerat com una eina topogràfica, és a dir, permet obtenir imatges de la superfície d’estudi amb una resolució vertical de l’ordre de la dècima de nanòmetre. La imatge s’obté resseguint el relleu de la superfície amb una microsonda fabricada en forma de palanca i acabada en una finíssima punta perpendicular a la palanca principal que té un radi final (R) d’uns 9 nm (Figura 35). La micro palanca detecta les forces d'interacció que s'estableixen entre la punta i la mostra, que poden ser de van der Waals, repulsions electrostàtiques i electròniques [22]. El moviment de la palanca és captat per un làser que incideix en la seva part posterior i es reflecteix acte seguit en un fotodetector connectat a una unitat electrònica Memoria 46 Figura 41. Operació en el mode LFM [8]. En aquest cas, ja que la deflexió de la palanca no és vertical sinó torsional, cal considerar la constant de molla lateral (kl), la qual és certament difícil de calibrar experimentalment [10]. Com ja hem vist, μ és la constant que relaciona el valor de Ff i el de Fv, de manera que és interessant trobar com varia el valor de Ff a mesura que variem la Fv. Amb aquest objectiu, s’ha desenvolupat el sistema mostrat en la Figura 42. Mentre la sonda escaneja la superfície de la mostra a un determinat valor de Fv, el valor de Δy és enregistrat. Simultàniament, el valor flexió vertical de la palanca (Δx) és controlat pel circuit de realimentació. Per tal d’augmentar de manera lineal el valor de Δx, el qual és proporcional al valor de Fv, una funció en forma de dent de serra ascendent s’injecta en el circuit de control. El senyal resultant és emprat per l'electrònica del microscopi per tal de moure el piezoelèctric de manera que la sonda es deflecta de manera creixent i el valor de Fv aplicat sobre la mostra augmenti linealment. Finalment, els valors de Ff i Fv són enregistrats simultàniament. Figura 42. Muntatge experimental per realitzar mesures de LFM i corbes típiques Ff vs. Fv [10]. Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 47 3. Procediment experimental En aquest capítol es descriuran quins són els materials estudiats, les preparacions de les mostres i les tècniques experimentals per analitzar tant microestructuralment com mecànicament les mostres. 3.1. Material estudiat En aquest treball seran investigats dos aliatges de titani: el Ti-6Al-4V i el Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. 3.1.1. Ti-6Al-4V El Ti-6Al-4V és un aliatge del tipus α+β que posseeix una gran combinació de resistència mecànica, resistència a la corrosió i facilitat de mecanitzat. Per l’actual treball la mostra de Ti-6Al-4V va ser rebuda en forma de placa d’acord amb l'AMS 4911 L. La composició química de la mostra de titani es pot veure a la Taula 6. Taula 6. Composició química en percentatge en massa (%) de la mostra Ti-6Al-4V [1]. Element Al V Fe O C N H Y Ti Mín. 5,50 3,50 -- -- -- -- -- -- Bal. Màx. 6,75 4,50 0,3 0,20 0,08 0,05 0,015 0,005 Bal. 3.1.2. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo El Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo és un aliatge “near-α” que té una alta resistència mecànica, alta tenacitat a la fractura i bona resistència a la termofluència. En el treball present, la mostra es va sotmetre a un tractament tèrmic d'enduriment per precipitació d'acord amb l'AMS 4979 G. La composició química de la mostra de titani es pot veure a la Taula 7. Memoria 48 Taula 7. Composició química en percentatge en massa (%) de la mostra Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. [1] Element Al Zr Mo Sn Si O Fe C N H Y Ti Mín. 5,50 3,60 1,80 1,80 0,06 -- -- -- -- -- -- Bal. Màx. 6,50 4,40 2,20 2,20 0,10 0,15 0,10 0,05 0,05 0,0125 0,005 Bal. 3.2. Preparació de les mostres 3.2.1. Tall Les mostres de titani rebudes s’han tallat a unes dimensions de 10x10x5 mm utilitzant una talladora Accutom-50 marca STRUERS com es mostra en la Figura 43. El tall s’ha dut a terme amb un disc de diamant que s’incorpora a la talladora automàtica i posteriorment s’han ajustat les condicions de tall. Durant el procés de tall, s’ha emprat aigua com a líquid refrigerant. Figura 43. Talladora manual Accutom-50. 3.2.2. Embotició en calent Tot seguit, les mostres tallades es fixen en baquelita per tal de facilitar la manipulació del procés de desbast i polit. S'ha utilitzat una embotidora Labopress marca STRUERS, Figura 44, que proporciona provetes de 30 mm de diàmetre aplicant 20 kN a 180 ºC durant 5 min. més 3 min. de refredament. Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 49 Figura 44. Embotidora Labopress. 3.2.3. Desbast Un cop embotides les mostres, s’han desbastat. Per desbastar-les s'ha utilitzat una polidora manual MECAPOL 2B i draps de carbur de silici (SiC) amb mides de partícules decreixents. Aquesta etapa s’ha emprat aigua com a líquid de refrigeració. En cada mostra es realitzen les 4 etapes descrites a la Taula 8. Figura 45. MECAPOL 2B. Memoria 50 Taula 8. Etapes de desbast. Etapa Abrasiu 1 80 [P80] 2 280 [P320] 3 360 [P600] 4 600 [P1200] 3.2.4. Polit Seguidament, després del desbast, es fa una ultima passada amb el drap de carbur de silici (SiC) P2500. Les diferents etapes emprades en aquest procés estan resumides en la Taula 9. Taula 9. Etapes de polit. Etapa Abrasiu 5 1000 [P2500] 6 Suspensió de diamant 7 Sílice Per tal d’obtenir l’efecte mirall en una de les cares de les mostres s’utilitza un MD Nap de la marca STRUERS i s’hi afegeix partícules en suspensió de diamant i sílice de 0,3 μm i 0,06 μm, com a abrasiu, respectivament (Taula 9). Aquest últim s'afegeix de forma regular per tal que el pany estigui sempre humit i que no es formin cristalls sobre el drap que puguin ratllar les mostres. Aquest polit final treu la fina cap de deformació de poques desenes de nanòmetres generada durant el procés de desbast. L'eliminació d'aquesta deformació és indispensable per poder utilitzar la tècnica de difracció d'electrons per retrodispersió (EBSD). Un cop s'obté l'acabat desitjat es netegen les mostres amb aigua i s'eixuguen amb un assecador. Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 51 3.3. Anàlisis de rugositat superficial Durant la realització del projecte vaig tenir l'oportunitat d’assistir al Workshop de Tribologia i Perfilometria Òptica realitzat el Campus Diagonal-Besós i organitzat pel grup de recerca CIEFMA. Al finalitzar el Workshop, el tècnic de la casa Bruker em va realitzar la mesura de rugositat de les dues mostres de titani, per tal de conèixer si la rugositat era òptima per poder fer les mesures d’EBSD. El test es va dur a terme mitjançant la plataforma Countour GT-I facilitada per la companyia Bruker, les dades han estat tractades amb el software Vision64. 3.4. Difracció d'electrons per retrodispersió (EBSD) 3.4.1. Preparació de les mostres i paràmetres per l'anàlisi amb EBSD Per tal d’estudiar l’orientació cristal·lina així com les fases presents en la regió d’estudi per a cadascuna de les mostres d’estudi, s’han hagut de fer un conjunt d’etapes preliminars: (1) Polir les mostres, veure secció 3.2.4. (2) Desencastar les mostres. (3) Netejar les mostres dins d’un bany d’ultrasons amb acetona durant 10 min. (4) Netejar-les amb un tensoactiu (Triton 99.9) i assecar-les amb nitrogen. (5) Fer indentacions de mesura (veure Figura 46) per facil·litar la posterior observació mitjançant EBSD de la regió d’estudi i posteriorment realitzar els assajos tribològics mitjançant AFM. (6) Muntatge de les mostres sobre stubs d’alumini per fer les mesures d’EBSD. S’hi afegeix pintura de plata pel contorn, entre el suporti la mostra, amb l'objectiu de millorar la conductivitat elèctrica i poder observar la secció indicada de la mostra (Figura 47). Figura 46. Indentacions a la superfície de la mostra per determinar l’àrea a assajar. Memoria 52 (7) Deixar assecar la pintura de plata i muntar-la en el portamostres del microscopi electrònic, per tal de realitzar la mesura. Figura 47. Mostra muntada en el botó d'alumini amb la pintura de plata pels voltants. Per obtenir la informació de les mostres observades, primerament es van obtenir els mapes d’EBSD (imatge de qualitat, mapa de fases i d’orientacions cristal·logràfiques) per mitja del microscopi electrònic de rastreig amb emissió de camp JEOL JSM 7001-F (Figura 48). Les condicions d’operació és mostren en la Taula 10. Taula 10. Paràmetres per l'anàlisi amb EBSD. Paràmetres d'operació Valor Voltatge [kV] 15 Corrent [nA] 15 Buit [Pa] 9,6·10-5 Angle d'inclinació [º] 70 Distancia de treball [mm] 25 Tamany de pixel [μm] 0,25 Àrea (píxels) 1800X900 Per l'adquisició, manipulació i anàlisis de les dades de difracció d'electrons retrodispersats (EBSD) s'ha utilitzat el software Oxford Instruments HKL Chanel 5.0, el qual permet la construcció de mapes Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 53 d'orientació, anàlisis de textura, identificació de fases, anàlisis de mida de gra, mitjançant l'ús dels seus programes associats tals com: Flamenco, Tango o Mambo. Figura 48. Microscopi electrònic de rastreig amb emissió de camp JEOL JSM 7001-F [19]. 3.5. Microscopia de forces atòmiques, AFM Per dur a terme l'assaig s'ha utilitzat el microscopi de forces atòmiques (AFM, atomic force microscopy) Dimension 3100 Nanoman de Veeco (Figura 49). Aquesta tècnica, ofereix un conjunt de modes de treball per tal de poder determinar propietats mecàniques (valor de càrrega critica, el mòdul de Young, etc) i tribològiques (per exemple el coeficient de fricció). Les imatges han estat tractades mitjançant el software WSxM ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. Figura 49. Veeco Dimension 3100 [20]. Memoria 54 La tècnica d’AFM, permet treballar en diferent modes d'operació (mode contacte, mode tapping, etc). En aquest TFG, s’ha utilitzat el mode “Tapping” i de contacte per tal de poder observar el gra d’estudi i determinar el coeficient de fricció de cada gra, respectivament. La punta de contacte utilitzada ha estat la DNP-20 de nitrur de silici (forma triangular) de la casa Veeco amb les característiques presentades en la Figura 50; mentre que la punta de “tapping” utilitzada ha estat la NSG30 de la casa NT-MDT, veure Figura 51. Figura 50. Punta AFM model DNP-20, mode contacte [23]. Figura 51. Punta AFM model NSG30, mode “Tapping” [26]. Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 55 3.5.1. Assaig tribològic La tècnica d’AFM depenent de la punta emprada (veure secció anterior), permet obtenir una gran varietat d’’imatges, però les més habituals pels modes explicats anteriorment es mostren a la Taula 11. Taula 11. Imatges AFM. Mode contacte Mode “Tapping” Topografia Topografía Deflecció (Error) Amplitut (Error) Fricció Fase En aquest TFG, s’han obtingut les imatges de topografia, fricció, amplitude (error) i l’imatge de fase. L'imatge de topografía (dona informació de la rugositat de la mostra, en nanómetres), d’error (informació del desplaçament vertical del laser en el fotodetector) com la de fase (la rigidesa del material en la regió d’estudi), s’han obtingut mitjançant el mode “tapping”. Aquest mode de treball permet obtenir aquestes imatges reduint el risc de rallar la mostra. Per tal de determinar el coeficient de fricció s’ha de determinar la sensibilitat de la micropalanca. Aquest paràmetre s’ha determinat realitzant un assaig d’indentació en regim elàstic sobre un material indeformable, mica. Posteriorment, una vegada conegut aquest valor per la micropalanca, s’ha realitzat un assaig d’indentació en règim elàstic en el gra d’interés, mitjançant el mode de treball “peak force value”. A partir d’aquestes dades, és pot determinar el coeficient de fricció tal i com s’explicarà en la secció 0. A continuació, es descriu breument les diferents etapes per tal d’acondicionar la màquina i així poder determinar el coeficient de fricció per a cadascun dels grans de titani seleccionats: (i) Col·locació de la punta de treball en el “holder” de l’AFM, (ii) selecció del microscopi a utilitzar, el mode d’operació, la preparació del capçal (Figura 52), del cantilever i la mostra, (iii) alineació del làser, (iv) ajust del fotodetector (Figura 54), (v) visualització de la superfície de la mostra (Figura 53), Memoria 62 Figura 60. Component primari en 3D de la textura superficial del Ti-6Al-4V. Òptic: x20 (continuació). Figura 61. Component primari en 3D de la textura superficial del Ti-6Al-4V. Òptic: x50 (continuació). 4.1.2. Perfil de superfície Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo La Figura 62i Figura 63 mostren les imatges dels diferents components de la rugositat superficial per l’aliatge Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (rugositat i ondulació). En aquest cas ens interessa el component de la rugositat com s'ha mostrat en la secció anterior per la mostra Ti-6Al-4V. La Taula 13 mostra un Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 63 resum dels paràmetres 3D del component rugositat del Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo directament extret de les imatges de perfilometria òptica pels diferents òptics utilitzats. Figura 62. Diferents perfils per analitzar la rugositat amb els seus filtres corresponents del Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. Òptic: x5. Memoria 64 Figura 63. Diferents perfils per analitzar la rugositat amb els seus filtres corresponents del Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. Òptics: x20, x50 (continuació). Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 65 Taula 13. Resum dels paràmetres del perfil de rugositat del Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. x5 x20 x50 Sa (nm) 86,141 25,531 10,796 Sq 0,114 0,033 0,014 Sp (µm) 0,536 0,096 0,403 Sv (µm) -0,709 -0,174 -0,254 St (µm) 1,245 0,27 0,657 Com la secció 4.1.1 es mostra una representació 3D del component primari de la textura del Ti-6Al2Sn-4Zr-2Mo per cada òptic utilitzat, veure Figura 65. Figura 64. Perfils de superfície en 3D del Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. Òptic: x5. Memoria 66 Figura 65 Perfils de superfície en 3D del Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. Òptics: x20, x50 (continuació). Mitjançant la perfilometria òptica, s’ha observat que per ambdues mostres,la rugositat mitjana superficial (Sa) final està per sota dels 100 nm, tal com s’observa en les Taula 12 i 14. Segons la normativa ASTM G99 [18], la rugositat màxima permesa per fer els assaigs tribòlogics és de 0,7 µm. Per tant, podem afirmar que l’acabat superficial de les mostres, és òptim per fer tant l’observació microestructural com per a la realització dels assajos tribològics a escala nanomètrica. Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 67 4.2. EBSD A partir de les mesures d’EBSD i el post-processat realitzat mitjançant el software Oxford Instruments HKL Channel 5.0, es realitza l'estudi microestructural de cadascuna dels aliatges de Titani. Aquest estudi, permet realitzar un estudi exhaustiu de les fases presents així com poder observar qualitativament la textura present en cadascun dels aliatges estudiats. 4.2.1. Mapa e qualitat (QI, quality image) Aquest mapa ens proporciona informació qualitativa de l’interacció dels electrons sobre la superficie de la mostra. Concretament, ens pot subministrar informació de les frontereres de gra, tipus de microestructura, morfologia dels grans, ratlles de polit, etc. Tal com s’aprecia en la Figura 66, la mostra Ti-6Al-4V (part superior de la Figura 66), presenta una microestructura bimodal (combinació de grans equiaxial i allargats) mentre que l’aliatge Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (part inferior de la Figura 66) presenta grans equiaxials amb una clara estructura bimodal. Memoria 68 Figura 66. Mapa de qualitat de la mostra de Ti-6Al-4V (superior) i Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (inferior). A partir de les mesures d’EBSD es pot determinar la distribució del diàmetre de gra de la regió observada, veure Taula 14 i Taula 15. Com s'aprecia hi han desviacions estàndard més grans que la mitja aritmètica, això probablement indica un alt biaix, és a dir, la presencia de valors extrems o un altra peculiaritat en la forma de la distribució, com una distribució bimodal, tal com s’aprecia en la Taula 14 i Taula 15. Taula 14. Resultats de la distribució de diàmetre de gra Ti-6Al-4V. Probabilitat Resultat experimental p(d < 0,65) = 85% (0,36 ± 0,10)μm p(d ≥ 0,65) = 15% (3,3 ± 4,9)μm Taula 15. Resultats de la distribució de diàmetre de gra Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. Probabilitat Resultat experimental p(d < 0,40) = 85,72% (0,29 ± 0,035)μm p(d ≥ 0,40) = 14,28% (1,05 ± 1,6)μm Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 69 Per tant, per presentar els resultat d'una manera més correcte i precisa, sense que apareguin possibles diàmetres negatius, s'ha separat les probabilitats en 4 zones, depenent de la mida de gra (Taula 16 i Taula 17). Taula 16. Resultats de la distribució de diàmetre de gra Ti-6Al-4V. Probabilitat Resultat experimental p(d ≤ 1 μm) = 92% (0,40 ± 0,16)μm p(1 μm < d ≤ 3 μm) = 5% (1,6 ± 0,53)μm p(3 μm < d ≤ 15 μm) = 2% (5,7 ± 2,4)μm p(15 μm < d ≤ 50 μm) = 1% (24 ± 8,5)μm Taula 17. Resultats de la distribució de diàmetre de gra Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. Probabilitat Resultat experimental p(d ≤ 1 μm) = 96% (0,33 ± 0,12)μm p(1 μm < d ≤ 3 μm) = 2% (1,6 ± 0,49)μm p(3 μm < d ≤ 15 μm) = 1% (6,2 ± 2,9)μm p(d ≤ 15 μm) = 1% (19 ± 3,7)μm Tal com s’aprecia en ambdues taules (Taula 16 i Taula 17), com a mínim el 90% dels grans observats per EBSD, tenen una mida de gra inferior a 1 µm. Memoria 70 4.2.2. de Fases Tal com s’ha comentat anteriorment, a partir de les mesures d’EBSD; es pot observar la distribució de les fases en cadascun dels aliatges d’estudi. Tal com s’aprecia en la Figura 67, pràcticament el 100% de la imatge escanejada presenta una estructura hexagonal, tal com es resumeix en la Taula 18 i Taula 19 per l’aliatge de Ti-6Al-4V i Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, respectivament. Figura 67. Mapa de fases de la mostra de Ti-6Al-4V (part superior) i del Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (part inferior). Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 71 Taula 18. Llegenda del mapa de fases de la mostra de Ti-6Al-4V. Fase Color % α (Hexagonal) 91 β (Cúbica) 3 Taula 19. Llegenda del mapa de fases del Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. Fase Color % α (Hexagonal) 97 β (Cúbica) 1 4.2.3. Mapa IPF Aquest tipus de mapa ens ajuda a simple vista detectar si hi ha alguna orientació preferencial en la mostra (textura). A la Figura 68 veiem que l’aliatge de Ti-6Al-4V, presenta una orientació preferencial en les direccions (120) i (111), color blau en la Figura 68. Aquest fenomen s’observa tant per les fases α i β. En canvi, pel que fa la mostra de Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, no podem dir que tingui una orientació preferencial, en altres paraules, que els grans presenten una distribució cristal·logràfica aleatòria, per tant, aquest aliatge no presenta textura. Memoria 78 Taula 24. Matriu MET. B: Influencia baixa; M: Influencia mitja; A: Influencia alta. Ús de materials Ús de l'energia Emissions tòxiques Material/Indicador Energia/Indicador Emissió/Indicador Fabricació dels materials utilitzats Mostres aliatges de titani B Energia necessària per obtenir els materials utilitzats A Emissions contaminants derivades del procés d'obtenció M Adhesiu Loctite B M B Resina Polyfast B M B Suspensió de diamant B A M Sílice col·loïdal B A M Pany de polit B M B Disc de tall de diamant B M B Punta AFM B A M Assaigs experimentals (màquines) Talladora B Energia consumida durant l'ús de les màquines A Gestió de residus sòlids i líquids B EBSD B A B Embotidora B B B Polidora B M B LFM B A B Gestió de residus Residus de líquids i gasos B Energia consumida pel procés de reciclatge o tractament B Emissions derivades de la gestió pel tractament de residus B Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 79 6. Conclusions Després de realitzar l’estudi del comportament de fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica, es poden resumir les següents conclusions: (i) La preparació metal·logràfica és una etapa primordial per tal de poder observar la microestructura i per a la realització d’assajos mecànics en materials dúctils a escala submicromètrica. (ii) El polit emprat en aquest treball final de grau, ha permès revelar la microestructura per l’aliatge de Ti-6Al-4V sense la necessitat d’atacar-la químicament. Mentre que per la mostra Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, el procés de polit no ha revelat la microestructura. Per tant sper aquest aliatge s’ha de modificar el procés de polit per tal de reverlar-la. (iii) La caracterització microestructural mitjançant EBSD ha ficat de manifest que ambdues mostres d’estudi (Ti-6Al-4V i Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo) presenten una estuctura cristal·lina principalment hexagonal (superior al 90-95%). (iv) Les imatges de qualitat revelen que l’aliatge de Ti-6Al-4V presenta una distribució bimodal (combinació de grans equaxials i allargats) mentre que l’aliatge de Ti-6Al-2Sn4Zr-2Mo presenta una distribució de grans equaxials. (v) La imatge d’orientació cristal·lina, permet determinar de manera qualitativa si les diferents mostres presenten textura. L’aliatge de Ti-6Al-4V presenta una certa textura, on els grans estan majorment orientats en la direcció (120). (vi) La técnica de microscòpia de forces atòmiques, permet observar la geometria dels grans de titani a escala submicromètrica. La combinació d'ambdós modes principals de treball (mode “tapping” i de contacte) permet determinar el coeficient de fricció a nivell local en funció de l’orientació cristal·lina. S’ha observat que els grans de titani orientats en el pla basal presenten un coeficient de fricció superior al que presenten els grans orientats en el pla prismàtic i piramidal; sent aquest al voltant de 0,89 i 0,25; respectivament. Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 81 7. Pressupost i/o Anàlisi Econòmica En aquest apartat s'agrupen els costs de dur a terme el treball final de grau, considerant el personal, equips i productes utilitzats durant tots els assaigs i procediments. 7.1. Cost matèria prima Taula 25. Cost matèria prima. Quantitat Preu Cost Ti-6Al-4V 25 cm3 0,40€/cm3 10€ Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 25 cm3 0,40€/cm3 10€ TOTAL 20€ 7.2. Cost material Taula 26. Cost del material utilitzat. Quantitat Preu Cost Panys de carbur de silici: P80 2u 14,75€/u 29,5€ P320 2u 14,75€/u 29,5€ P600 2u 14,75€/u 29,5€ P1200 2u 17,9€/u 35,8€ P2500 2u 17,9€/u 35,8€ Pany de vellut 2u 37,82€/u 75,6€ Suspensió de diamant 0,25l 150€/l 37,5€ Sílice 0,25l 30€/l 7,5€ Memoria 82 Resina Polyfast 0,2u 50€/u 10€ Disc de tall de diamant 1u 200€/u 200€ Adhesiu Loctite 1u 3,65€/u 3,65€ Pintura de plata 1u 18€/u 18€ Puntes AFM 2u 18€/u 36€ TOTAL 548,35€ 7.3. Cost utilització de les màquines Taula 27. Cost degut a la utilització de les màquines. Quantitat Preu Cost Talladora Struers Accutom-50 1h 20€/h 20€ Polidora manual MECAPOL 2B 30h 10€/h 300€ Countour GT-I 1h 20€/h 20€ JEOL JSM 7001-F 4h 18€/h 72€ Veeco Dimension 3100 15h 35€/h 525€ TOTAL 937€ Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 83 7.4. Cost del personal Taula 28. Cost del personal. Quantitat Preu Cost Estudiant 620h 30€/h 18600€ Tècnic especialista 3h 40€/h 120€ Tutor 50h 60€/h 3000€ TOTAL 21720€ 7.5. Cost total del projecte Taula 29. Cost total del projecte. Cost Cost matèria prima 20,00€ Cost material 548,35€ Cost utilització de les màquines 937,00€ Cost del personal 21720,00€ TOTAL (sense IVA) 23225,35€ (IVA inclòs 21%) 4877,32€ TOTAL (IVA inclòs, 21%) 28102,67€ Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 85 8. Bibliografia [1] RELATED, Environment, PHENOMENA, Surface, i SEFER, Birhan. DOC TOR A L T H E S I S Environment Related Surface Phenomena and their Influence on Properties of Ti-6Al-4V and Birhan Sefer Engineering Materials. [2016]. ISBN 9789175836683. [2] LAWRIE RYAN. Extracting titanium. [en línia]. [Consulta 23 gener 2017]. Disponible a http://www.absorblearning.com/media/item.action;jsessionid=63320706D2FB35B0452FE8D 79FD12FAB?quick=u0 [3] MATTHEW J. DONACHIE, Jr. Titanium ,A Technical Guide Second. 2000. ISBN 0871706865. [4] LEYENS, Christoph i PETERS, Manfred (ed.). Titanium and Titanium Alloys [en línia]. Weinheim, FRG: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2003. [Consulta 23 gener 2017]. ISBN 9783527602117. Disponible a http://doi.wiley.com/10.1002/3527602119 [5] GADDAM, R, SEFER, B, PEDERSON, R, i ANTTI, M-L. Study of alpha-case depth in Ti-6Al-2Sn4Zr-2Mo and Ti-6Al-4V. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering [en línia]. 12 desembre 2013, vol. 48, p. 12002. [6] BOYER, R. R. An overview on the use of titanium in the aerospace industry. 1996. ISBN 09215093. [7] EYLON, D., FUJISHIRO, S., POSTANS, Pamela J., i FROES, F. H. High-Temperature Titanium Alloys—A Review. JOM: Journal of The Minerals, Metals & Materials Society. 1984, vol. 36, no. 11, p. 55-62. [8] ROA, J. J., ONCINS, G., DÍAZ, J., CAPDEVILA, X. G., SANZ, F., i SEGARRA, M. Study of the friction, adhesion and mechanical properties of single crystals, ceramics and ceramic coatings by AFM. Journal of the European Ceramic Society. 2011, vol. 31, no. 4, p. 429-449. [9] TIPLER, Paul Allen, MOSCA, Gene., JOU I MIRABENT, David, i LLEBOT, Josep Enric. Física per a la ciència i la tecnologia. Reverté, 2010. ISBN 9788429144321. [10] ONCINS MARCO, Gerard., SANZ CARRASCO, Fausto, TORRENT BURGUÉS, Joan, i FÍSICA., Universitat de Barcelona. Departament de Química. Nanomechanics of organic layers and biomembranes. Universitat de Barcelona, [2009]. ISBN 9788469364116. [11] VLADIMIR VALLE ALVAREZ, Lauro. Fatigue behavior and associated binder deformation mechanisms in WC-Co cemented carbides . 1 juny 2013. Universitat Politècnica de Catalunya. [Consulta 1 març 2017]. Disponible a http://upcommons.upc.edu/handle/2099.1/20104 [12] SCHWARTZ, A J, KUMAR, M, ADAMS, B L, i FIELD, D P. Electron backscatter diffraction in materials science. 2009. ISBN 9780387881355. [13] ARACIL, Serret i ROGER. Investigation of heavily deformed and dual phase materials by means of Transmission Kikuchi Diffraction. 2013, [Consulta 17 abril 2017]. Disponible a Memoria 86 http://oden.cbuc.cat/mendeley/enviaamendeley.php?bibid=.b1440061&inst=UPC&llen=cat [14] BOLAÑOS, Muñoz i ALBERTO, Jairo. Propiedades mecánicas y microestructurales del hierro Armco sometido a severa deformación plàstica mediante presión en canal angular de sección constante (ECAP). 2016, [Consulta 17 abril 2017]. Disponible a http://oden.cbuc.cat/mendeley/enviaamendeley.php?bibid=.b1482235&inst=UPC&llen=cat [15] EBSD Electron Backscatter Diffraction - Oxford Instruments. [Consulta 17 abril 2017]. Disponible a https://www.oxford-instruments.com/products/microanalysis/ebsd [16] UNIVERSITAT DE BARCELONA. Técnicas Microscópicas de Caracterización | Coursera. [Consulta 17 maig 2017]. Disponible a https://www.coursera.org/learn/tecnicasmicroscopicas-caracterizacion [17] DIGITAL SURF. Surface Metrology Guide. [Consulta 29 maig 2017]. Disponible a http://www.digitalsurf.fr/en/guide.html [18] Introduction to Surface Roughness Measurement. [Consulta 29 maig 2017]. Disponible a http://www.sernia.ru/upload/pdf_files/Introduction to surface roughness measurement.pdf [19] UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA. CRNE Centre for Research in NanoEngineering. [Consulta 29 maig 2017]. Disponible a http://www.fundaciorecerca.cat/descarregues/20157222345_Presentacions_CRNE_07_07_ 2015.pdf [20] UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA. AFM - Veeco Dimension 3100 — Centre de Recerca en Ciència i Enginyeria Multiescala de Barcelona — UPC. Universitat Politècnica de Catalunya. [Consulta 29 maig 2017]. Disponible a http://multiscale.upc.edu/ca/shared/imgs/afm-veeco-dimension-3100.jpg/view [21] DIAZ-MARCOS, Jordi, PINNA, Francesca, i ONCINS, Gerard. Advanced Optical Microscopies for Materials: New trends Handbook of instrumental techniques from CCiTUB. [Consulta 29 maig 2017]. Disponible a http://diposit.ub.edu/dspace/bitstream/2445/32149/1/MT06 - Advanced Optical Microscopies for Materials_ed2.pdf [22] ONCINS, Gerard, DÍAZ-MARCOS, Jordi, i FORCE MICROSCOPY, Atomic. Atomic Force Microscopy: probing the Nanoworld Handbook of instrumental techniques from CCiTUB. [Consulta 29 maig 2017]. Disponible a http://diposit.ub.edu/dspace/bitstream/2445/32162/1/MT07 - Atomic Force Microscopy_ed2.pdf [23] BRUKER. DNP - Bruker AFM Probes. [Consulta 30 maig 2017]. Disponible a http://www.brukerafmprobes.com/p-3588-dnp.aspx [24] VEECO Dimension 3100 Atomic Force Microscope (AFM). [Consulta 30 maig 2017]. Disponible a http://sites.utexas.edu/membraneresearch/files/2012/07/AFM.pdf [25] VEECO. Veeco diNanoScope Software 7.30 User Guide. [Consulta 30 maig 2017]. Disponible a Estudi del comportament a fricció d’aliatges de titani mitjançant microscòpia de força atòmica 87 http://physics-astronomy-manuals.wwu.edu/Nanosocpe 7.3 User Guide.pdf [26] NT-MDT TIPS. NSG30. [Consulta 31 maig 2017]. Disponible a http://www.ntmdttips.com/products/view/nsg30 [27] Horcas, I. et al., 2007. WSXM: A software for scanning probe microscopy and a tool for nanotechnology. A: Review of Scientific Instruments. American Institute of Physics, Vol. 78, núm. 1, p. 13705. ISSN 0034-6748.