Возможно ли вернуть телефон после диагностики в сервисном центре и заменить его в интернет-магазине?

Вернуть можно только если установлены неисправности. Если есть спор на этот счет. то придется обращаться в суд с иском о защите прав потребителей. Вы можете обратиться в суд по вашему месту жительства.

Согласно вводной части Закона о защите прав потребителей уполномоченная изготовителем (продавцом) организация или уполномоченный изготовителем (продавцом) индивидуальный предприниматель

организация, осуществляющая определенную деятельность, или организация, созданная на территории Российской Федерации изготовителем (продавцом), в том числе иностранным изготовителем (иностранным продавцом), выполняющие определенные функции на основании договора с изготовителем (продавцом) и уполномоченные им на принятие и удовлетворение требований потребителей в отношении товара ненадлежащего качества, либо индивидуальный предприниматель, зарегистрированный на территории Российской Федерации, выполняющий определенные функции на основании договора с изготовителем (продавцом), в том числе с иностранным изготовителем (иностранным продавцом), и уполномоченный им на принятие и удовлетворение требований потребителей в отношении товара ненадлежащего качества;

Требования связанные с некачественным товаром Вы вправе предъявить уполномоченной организации или предпринимателю. Таким образом Вы фактически обратились в установленный срок. Поэтому Вы вправе и дальше предъявлять требования продавцу товара.