Aggerbeck, Martin

I dette projekt blev muligheden for at designe aluminiumsbaserede coatings undersøgt med fokus på hvordan den kemiske sammensætning og overfladens beskaffenhed påvirker den visuelle fremtoning og de basiske korrosionsegenskaber med titan anvendt som det primære legeringselement. De primære resultater og diskussioner fra dette arbejde præsenteres i form af i bilag som fire artikelmanuskripter indsendt til publikation i tidsskrifter. Anvendelsen af aluminium er bred, fra transportmidler, bygninger, varmevekslere og emballage til designprodukter. Den visuelle fremtoning efter anodisering er en vigtig karakter i mange af disse anvendelser, men brugen af genbrugsaluminium kompromitterer denne pga. tilstedeværelsen af store mængder urenheder og legeringselementer. Viden om hvordan forskellige legeringselementer påvirker den visuelle fremtoning kan derfor øge anvendeligheden af genbrugsaluminium. Det blev undersøgt, hvorledes den visuelle fremtoning påvirkes af legeringssammensætning, overflademorfologi og mikrostruktur. Fire handelslegeringer blev undersøgt før og efter polering, bejdsning, anodisering og forsegling med varmt vand, hvilket gav et overblik over, hvordan legeringssammensætning påvirker den visuelle fremtoning. Ruheden af overfladen efter bejdsning blev større ved øget mængde af legeringselementer (især jern og silicium). Behørig polering kræver nogen mængde af legeringshårdhed, mens legeringsrenhed kræves for at opnå en spejlende fremtoning efter anodisering. Fysisk pådampede Al-Ti coatings med op til 18 vægt-% titan blev deponeret, varmebehandlet og anodiseret. Mikrostrukturen efter pådampning var lagdelt og Al3Ti-faser blev dannet i løbet af varmebehandlingen. De varmebehandlede emner indeholdende Al3Ti-faser blev mørke under anodisering, og emnerne blev undersøgt som et modelsystem for hvordan den visuelle fremtoning påvirkes af delvist oxiderede partikler og morfologien mellem det anodiserede lag og metallet efter anodisering. Det blev foreslået at emnerne blev mørke pga. indfangning af lyset i det anodiserede lag pga. den ru grænseflade mellem det anodiserede lag og substratet og pga. absorption og optisk spredning i de delvist oxiderede partikler i det anodiserede lag. Transportindustrien står for en stor andel af verdens CO2-udledning, hvilket kan mindskes ved at reducere vægten af transportmidlerne. Mere end halvdelen af en bils vægt kommer fra stål, hvilket næsten kan halveres ved at udskifte stålet med aluminium. Desværre korroderer aluminium kraftigt under de basiske forhold der f.eks. kendes fra en børsteløs bilvask (&gt; pH 12). I dag anvendes forsegling med nikkelsalte for at beskytte f.eks. aluminiumsfælge, men af miljø- og sundhedsmæssige årsager søges et alternativ. Undersøgelser af de tidligere beskrevne fysisk pådampede Al-Ti coatings viste at 13 vægt-% titan og mere forbedrede modstandsdygtigheden ved pH 13.5 og denne var yderligere forbedret under varmebehandling, særligt ved 400 °C og over. De forbedrede korrosionsegenskaber blev tilskrevet strukturel afspænding, sænkede galvaniske potentialeforskelle i mikrostrukturen og beskyttelse fra netværket af Al3Ti-faserne, der blev udfældet i løbet af varmebehandlingen. Coatings med laser af aluminium indeholdende op til 20 vægt-% Ti6Al4V blev undersøgt med fokus på mikrostrukturen og de basiske korrosionsegenskaber. Pga. udfældning af store faser af Al3Ti under processen bestod mikrostrukturen af et næsten rent aluminiumsmatrix, der korroderede selektivt ved pH 13.5. Varmebehandling brød ikke den størknede mikrostruktur ned og korrosionsegenskaberne blev ikke forbedret ved dette.The current project investigated the possibility of designing aluminium based coatings focusing on the effect of composition and surface finish on the optical appearance and on the alkaline corrosion properties using titanium as the main alloying element. The main results and discussions of this work are presented in manuscript form as four appended papers communicated for journal publication. Aluminium is widely used in applications such as transportation, building, heat exchangers, packaging, and design products. Optical appearance after anodisation is a key aspect for many of these applications, but the use of recycled aluminium compromises this due to the presence of increased levels of impurity and alloying elements. Knowledge on how different alloying elements affect the optical appearance might therefore increase the applicability of recycled aluminium. It was investigated how the optical appearance is affected by the alloy composition, surface morphology, and the microstructure. Four commercial aluminium alloys were studied before and after polishing, etching, anodisation, and hot water sealing, giving an overview on how the alloy composition affects the appearance. It was found that the roughness after etching increases with higher amounts of alloying elements (especially iron and silicon). Proper polishing requires some alloy hardness, while alloy purity is required for a glossy appearance after anodisation. Magnetron sputtered aluminium based coatings containing up to 18 wt. % titanium were deposited, heattreated, and anodised. The microstructure of the as-deposited coatings was layered, and Al3Ti phases formed during the heat treatment. During anodisation, the heat-treated specimens containing Al3Ti phases turned dark, and the specimens were investigated as a model system on the optical effect of partially oxidised intermetallics and the subsurface morphology after anodisation. It was suggested, that the darkening of the anodised specimens happened due to roughness of the oxide-substrate interface causing light trapping and optical scattering and absorption by the partially anodised intermetallics in the anodised layer. The transport industry has a big share of the CO2 emission in the world, which can be decreased by reducing the weight of the vehicles itself. More than half of the weight of a car comes from steel, which can almost be reduced to half by replacing steel with aluminium. Unfortunately, aluminium corrodes heavily in the alkaline environments known e.g. from a brush less car wash (&gt; pH 12). Today nickel salt sealing is used to protect e.g. aluminium wheel rims, but an alternative is needed due to environmental and health reasons. Investigations using the previously described magnetron sputtered Al-Ti coatings showed that 13 wt. % titanium and more improved the corrosion resistance at pH 13.5 and this was further improved by heat treatment, especially at 400 °C and more. The improved corrosion properties were ascribed to structural relaxation, decreased galvanic potential differences in the microstructure, and protection from the network of the Al3Ti phases precipitated during the heat treatment. Laser surface cladding of aluminium containing up to 20 wt. % Ti6Al4V were studied focusing on the microstructure and the alkaline corrosion properties. Due to precipitation of large Al3Ti phases during the cladding process, the microstructure consisted of an almost pure aluminium matrix, which corroded preferentially when exposed to pH 13.5. Additional heat treatment did not break down the solidified microstructure and the corrosion properties were not improved

Online Research Database In Technology

Tailored Aluminium based Coatings for Optical Appearance and Corrosion Resistance

http://orbit.dtu.dk/ws/files/113894064/Tailored_Aluminium_based_Coatings.pdf

Tailored Aluminium based Coatings for Optical Appearance and Corrosion Resistance

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology