Estudo da difusão de intersticiais em matrizes de α-Ti

Abstract

O objetivo desta dissertação consiste no estudo da difusão dos intersticiais, 15N e 18O, em uma matriz de α-Ti. A motivação se origina do fato de haver na literatura resultados contraditórios sobre o comportamento difusivo destes elementos, e de estudar a influência de impurezas presentes na matriz sobre os coeficientes de difusão obtidos para átomos intersticiais. Os elementos foram introduzidos na matriz utilizando a técnica de implantação iônica. As implantações foram realizadas com os seguintes parâmetros: Para o 15N, energia de implantação foi E = 75 keV, com uma dose Φ = 6 x 1016 átomos/cm², resultando numa concentração de pico de aproximadamente 8 át. %. Para o 18O, a energia de implantação foi E = 50 keV, com uma dose Φ = 3 x 1016 átomos/cm², resultando numa concentração de pico de aproximadamente 6 át. %. Ambas as concentrações de pico estão bem abaixo do limite de solubilidade sólida dos respectivos elementos em α-Ti. A dependência do coeficiente de difusão com a temperatura foi estudada nos intervalos de temperatura de 673 a 1024 K para o 15N, e de 623 a 873 K para o 18O. Os perfis de concentração foram determinados utilizando a técnica de reação nuclear ressonante (NRA), que possui uma alta resolução em profundidade (~1nm). As medidas realizadas mostraram que, para ambos os elementos estudados, os coeficientes de difusão seguem uma representação linear de Arrhenius. A partir dela, foram encontrados os seguintes parâmetros característicos de difusão: Q = (183 ± 2) kJ/mol e D0 = (1,1 ± 0,8) x 10-7 m²/s para o 15N, e Q = (169 ± 5) kJ/mol e D0 = (2,0 ± 1,0) x 10-7 m²/s para o 18O, os quais são típicos de um comportamento intersticial normal. A comparação dos presentes resultados com os publicados anteriormente nos leva a concluir que a presença de impurezas na matriz de α-Ti influencia de forma significativa os parâmetros característicos da difusão de ambos elementos.

The main objective of the present work is to study the diffusion behavior of the 15N and 18O interstitials in a α-Ti matrix. This study was motivated by a similar one of the diffusion of 18O in α-Hf, where it was demonstrated that the purity of the matrix has a strong influence on the diffusion parameters Q e D0. With this aim, we have implanted the α-Ti matrix with the above mentioned diffusers. The implantation parameters were, for 15N: energy E = 75 keV and fluence Φ = 6 x 1016 at/cm² which give a peak concentration of around 8 at%. Instead, parameters for 18O were E = 50 keV and Φ = 3 x 1016 at/cm², which gives a peak concentration of around 6 at%. In both cases the peak concentrations were below the respective solid solubility in α-Ti. The temperature range for both systems were 673 – 1024 K for 15N, and 623 – 873 K for 18O. The as-implanted and diffused concentration profiles were determined using resonant nuclear reaction technique which, on average, has a depth resolution of 1 nm. The results of the present investigations show that, for both elements, the corresponding diffusion coefficients follow an Arrhenius behavior, characterized by the following parameters: Q = (183 ± 2) kJ/mol e D0 = (1,1 ± 0,8) x 10-7 m²/s for 15N, and Q = (169 ± 5) kJ/mol e D0 = (2,0 ± 1,0) x 10-7 m²/s for 18O. Which are typical of a normal interstitial diffusion behavior. However, in both cases, is shown that the impurity content of the matrix play a significant role on the diffusion behavior of the interstitials atoms.