Makro- und mikroelektrochemische Untersuchungen zum lokalen Korrosionsverhalten ultrafeinkörniger und technischer Aluminiumlegierungen

Macro- and micro-electrochemical investigations of ultrafine-grained and conventional aluminium alloys

  • Die Modifikation altbewährter als auch klassischer Werkstoffe kann trotz der sukzessiven Substitution vorhandener Flugzeugstrukturen durch neuartige Materialien, wie glas- und kohlefaserverstärkte Kunststoffe, eine vielversprechende Alternative zur Bewältigung steigender Anforderungen im Flugzeugbau, sein. Vor allem hoch- und höchstfeste Aluminiumlegierungen spielen speziell in modernen Luftfahrtsystemen immer noch eine große Rolle. Aufgrund der vielversprechenden mechanischen Eigenschaften haben ultrafeinkörnige (engl.: ultrafine grained, UFG) Werkstoffe, mit Korngrößen im Submikrometerbereich, in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. Ihre außergewöhnlichen mechanischen EigenDie Modifikation altbewährter als auch klassischer Werkstoffe kann trotz der sukzessiven Substitution vorhandener Flugzeugstrukturen durch neuartige Materialien, wie glas- und kohlefaserverstärkte Kunststoffe, eine vielversprechende Alternative zur Bewältigung steigender Anforderungen im Flugzeugbau, sein. Vor allem hoch- und höchstfeste Aluminiumlegierungen spielen speziell in modernen Luftfahrtsystemen immer noch eine große Rolle. Aufgrund der vielversprechenden mechanischen Eigenschaften haben ultrafeinkörnige (engl.: ultrafine grained, UFG) Werkstoffe, mit Korngrößen im Submikrometerbereich, in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. Ihre außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften erhalten diese Werkstoffe durch eine verkleinerte Korngröße als auch durch eine erhöhte Versetzungsdichte. Inwieweit sich diese mikrostrukturellen Merkmale auf das Korrosionsverhalten auswirken, ist bis zum jetzigen Zeitpunkt ungeklärt und wird kontrovers diskutiert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden für einphasige AlMg- als auch einer technischen AlCuMg-Legierung (AA2024) ultrafeinkörnige Gefügestrukturen mittels Equal Channel Angular Pressing (ECAP) erzeugt und in Abhängigkeit des Umformgrades elektrochemisch charakterisiert. Die zwei Legierungen wurden jeweils in chloridhaltiger Umgebung auf ihre Anfälligkeit für Loch- und interkristalline Korrosion untersucht. Die durch den Verformungsprozess initiierten Gefügeveränderungen wirken sich besonders stark auf die Angriffsmorphologie aus. Mit steigendem Umformgrad konnte für die AlMg-Legierung ein Übergang von kristallographischem Lochfraß zu lokalisierter Lochkorrosion beobachtet werden. Das Verhalten wurde weniger mit der kleineren Korngröße als mit einer erhöhten Versetzungsdichte erklärt. Für die technische AlCuMg-Legierung lässt sich feststellen, dass mit steigendem Umformungsgrad die Anfälligkeit für interkristalline Korrosion abnimmt. Im Gegensatz zur grobkörnigen Variante erfolgt der Angriff unter interkristallinen Bedingungen lochfraßähnlich. Ähnlich wie für die AlMg-Modelllegierung lenkt die ultrafeinkörnige Mikrostruktur die Angriffsmorphologie in Richtung lokaler Lochkorrosion. Oberflächenanalytische Untersuchungen ergaben dabei, dass der Umformprozess die chemische Zusammensetzung der ursprünglichen Korngrenzen und somit den Werkstoff „desensibilisiert“. Eine modellhafte Darstellung der Ergebnisse für beide Legierungstypen und -varianten wurde des Weiteren entworfen. Zur lokalen Bestimmung des elektrochemischen Verhaltens lokaler Gefügebestandteile wurde der Versuch unternommen mittels photolithographischem Ansatz Mikrobereichsmessungen zur Charakterisierung einzelner Legierungsbestandteile durchzuführen. Mit Hilfe dieser Technik konnten elektrochemische Messflächen mit Durchmessern unter 10 Mikrometer freigelegt und mittels Mikrokapillartechnik elektrochemisch untersucht werden. Anhand von Reinstaluminium konnte die Technik eindrucksvoll verifiziert werden. Untersuchungen einzelner Sekundärphasen der technischen Legierung ergaben dagegen keine eindeutigen Ergebnisse.show moreshow less
  • The modification of conventional and well established material may have the ability to negotiate upcoming requirements and standards in the aircraft industry. Therefore, ultrafinegrained (UFG) metals and alloys have been in the focus of strong research interest due to their exceptional mechanical properties in the last years. These properties are predominantly achieved due to a smaller grain size and higher dislocation density. However, one can also expect that the high surface fraction of grain boundaries and dislocations will influence the corrosion behavior of these materials. In particular, the above-mentioned structural characteristics may play an important role in passivity and localizThe modification of conventional and well established material may have the ability to negotiate upcoming requirements and standards in the aircraft industry. Therefore, ultrafinegrained (UFG) metals and alloys have been in the focus of strong research interest due to their exceptional mechanical properties in the last years. These properties are predominantly achieved due to a smaller grain size and higher dislocation density. However, one can also expect that the high surface fraction of grain boundaries and dislocations will influence the corrosion behavior of these materials. In particular, the above-mentioned structural characteristics may play an important role in passivity and localized breakdown. Open literature dealing with the electrochemical behavior of ultrafine-grained metals and alloys, give no clear consensus on the effect of the crystalline nature of the material on the corrosion behavior. Depending on the study, an improved as well as an impaired corrosion behavior of ultrafine-grained materials as compared with conventional grained (CG) alloys of the same type has been observed. The present study investigates the effect of severe plastic deformation on the corrosion performance of Al-Mg model-alloys and AA2024-T351 with respect to pitting and intergranular corrosion. Ultrafine-grained specimens were produced by equal-channel angular pressing (ECAP) and increasing the number of extruded passes. The alloys were electrochemically investigated in various NaCl solutions and compared with their conventionally grained counterparts. The results of potentiodynamic polarization experiments indicate that the anodic behavior is strongly affected by the deformation technique in respect to the CG samples. Corrosion attack takes place in form of laterally spreaded crystallographic filiform corrosion for the CG specimens, whilst UFG Al-Mg alloys tend with increasing pass number to deep localized pitting corrosion. Futhermore, the susceptibility to intergranular corrosion was investigated by potentiostatic experiments. Major differences are present in the corrosion morphology based on the large microstructural modification. The bulk material shows primarily intergranular corrosion along their textured grain boundaries (GB). In contrast, the ECAP material with a higher number of passes exhibits predominantly pitting corrosion, whereas the ECAP material with one pass shows a transition state. The results suggest that the UFG microstructure controls the corrosion towards pitting due to a complete rearrangement of GBs, indicating a kind of "desensitization effect" from the ECAP process. In addition, the electrochemical behavior of pure matrix material as well as single intermetallic particle connected with matrix on aluminum 2024-T3 has been studied in the sub 10 micrometer range by using a combination of optical lithographic structuring and microcapillary cell technique. Due to the fact that conventional micro scale techniques are not reasonably practicable to isolate well defined geometric areas below these dimensions. We demonstrate a novel method using an optical pinhole mask overcoming some limitations of the microcapillary technique. With this advanced technique we investigated the electrochemical behavior of an aluminium alloy AA2024-T3, to obtain a more detailed insight into corrosion characteristics and particle dissolution.show moreshow less

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Metadaten
Author:Johannes Brunner
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-32787
Advisor:Sannakaisa Virtanen
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/05/16
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2012/04/18
Release Date:2012/05/16
Tag:ECAP; Mikrokapillartechnik; interkristalline Korrosion; ultrafeinkörnig
ECAP; intergranular corrosion; microcapillary technique; ultrafine-grained
SWD-Keyword:ECAP; Mikrokapillartechnik; interkristalline Korrosion; ultrafeinkörnig
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 13581 $