Mechanismen der Schichtbildung beim Plasmaanodisieren von Magnesium in Abhängigkeit von der Elektrolytkomposition
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Zuge des Projektes wurden Methoden entwickelt, welche eine systematische und vergleichbare Charakterisierung des Passivierungsvermögens spezifischer Substrat-Elektrolyt-Systeme während der pre-breakdown-Phase ermöglichen. Diese wurden angewendet um entsprechend der Arbeitspakete 1 – 3 das Passivierungsvermögen einzelner Elektrolytkomponenten, einfacher Elektrolytgemische und gebräuchlicher PEO-Elektrolyte zu bestimmen und vergleichend einzuordnen. Hierbei wurde deutlich, dass das Passivierungsverhalten neben der nominellen chemischen Zusammensetzung der wässrigen Versuchslösung vor allem durch deren pH-Wert beeinflusst wird. Letzterer muss daher konstant gehalten werden um ein verändertes Passivierungsverhalten eindeutig einer veränderten Elektrolytzusammensetzung zuordnen zu können. Durch Vergleiche zwischen Elektrolyten, welche auf Aluminium (unter Konversionsschichtbildung) und Magnesium (unter Konversions- und Mischoxidbildung) die Ausbildung von sehr kompakten und korrosionsbeständigen PEO-Schichten ermöglichen, wurde bewiesen, dass mangelnde Passivierung, so wie sie nach dem bisherigen Stand der Technik verstanden wurde, nicht den limitierenden Faktor für die plasmaelektrolytische Oxidation von Magnesium darstellt. Stattdessen konnte gezeigt werden, dass Mg-Passivfilme (in Abhängigkeit des zur Formierung verwendeten Elektrolytes) im Potentialbereich von 0 – 60 V einen besonderen Depassivierungsmechanismus aufweisen, welcher zur Beschädigung des Passivfilmes führt. Da der entsprechenden Spannungsbereich bei konventionellen AC-PEO-Prozessen 50 bis 100 mal in der Sekunde durchlaufen wird, ist davon auszugehen, dass sich der Effekt während der gesamten Prozesszeit negativ auf das Substrat-Schicht-Interface von PEO-Schichten auf Magnesiumwerkstoffen auswirkt. Zusätzlich konnte aufbauend auf die durchgeführten Versuche ein wissenschaftlich umstrittener Aspekt der plasmaelektrolytischen Entladungsinitiierung abschließend geklärt werden. Eine Korrelation zwischen Passivierungseigenschaften von mischoxidbildenden Elektrolyten und den resultierenden Schichteigenschaften gemäß Arbeitspaket 4 wurde anhand einer Versuchsreihe mit 20 verschiedenen Silikat-Elektrolyten durchgeführt. Hierfür wurden die Passivierungseigenschaften der Elektrolytsysteme charakterisiert und PEO-Behandlungen unter konstanten Prozessparametern durchgeführt. Anschließend wurden die Passivierungskennwerte der Elektrolyte zu den Korrosionsstromdichten der resultierenden PEO-Schichten in Beziehung gesetzt. Die Ergebnisse zeigen einen unmittelbaren Zusammenhang zwischen dem Passivierungsvermögen der Elektrolyte und der Korrosionsstromdichte der formierten Schichten, weisen aber statistische Abweichungen auf. Dies liegt jedoch nicht in mangelnder Prozessrelevanz des elektrolytspezifischen Passivierungsvermögens begründet. Stattdessen stellt letzteres lediglich einen Teil des komplexen Schichtbildungsvorganges dar, welchen es anhand der Analyse von elektrischen, optischen und akustischen Prozessdaten weiter aufzuschlüsseln gilt. Aufbauend auf den Erkenntnissen der Arbeitspakete 1 – 4 wurden in AP 5 umweltfreundliche (frei von giftigen oder gesundheitsgefährdenden Komponenten) Demonstrationselektrolyte auf der Basis von Aluminaten und Silikaten formuliert. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie in energiearmen Prozessen (niedrige Formierungsspannung) die Ausbildung von PEO-Schichten aus chemisch und mechanisch beständigen Mischoxiden ermöglichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2017) Electrolyte influence on ignition of plasma electrolytic oxidation processes on light metals. Surface and Coatings Technology 315 205–213
Simchen, Frank; Sieber, Maximilian; Lampke, Thomas
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.02.041) - Entwicklung neuartiger plasmaelektrolytisch erzeugter Schutzschichten auf Magnesiumwerkstoffen, ZVO-Oberflächentage. Garmisch-Partenkirchen (2016)
Simchen, F; Sieber, M.; Scharf, I.; Lampke, T.
- Entwicklungstrends bei der plasmaelektrolytischen Oxidation von Magnesiumwerkstoffen, WoMag (10/2016)
Simchen, F.; Sieber, M.; Lampke, T.
- Formation of a Spinel Coating on AZ31 Magnesium Alloy by Plasma Electrolytic Oxidation, Journal of Materials Engineering and Performance, 25 (2016)
Sieber, M.; Simchen, F.; Scharf, I.; Lampke, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11665-016-1917-7) - Composition of highly concentrated silicate electrolytes and ultrasound influencing the plasma electrolytic oxidation of magnesium; IOP Conference Series, Materials Science and Engineering, 181 (2017)
Simchen, F.; Rymer, L.M.; Sieber, M.; Lampke, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1757-899X/181/1/012040)
