Corrosion protection of ZM21 magnesium alloys : plasma eletrolytic oxidation and electrochemical impedance spectroscopy

Due to the high strength-to-weight ratio, good formability, good electromagnetic shielding and favorable recycling, magnesium and its alloys find wide application in the fields of automotive, aerospace, electronics, nuclear and sports. However, the high susceptibility to corrosion restricts the number of magnesium alloys for practical application. ZM21 magnesium alloy shows superior forgiabilty, leading to finer microstructures and potentially to mass production of small pieces. However, up to date the susceptibility to corrosion of ZM21 alloys hindered any practical application. The present study aims at developing protective coatings on ZM21 by Plasma Electrolytic Oxidation (PEO). PEO of bulk ZM21 was carried out in alkaline electrolytes containing phosphates, silicates, borates with and without addition of potassium hydroxide as an additive. The effect of electrolyte composition, electrolyte temperature and processing time were investigated by means of eddy current measurements, Laser profilometry, Scanning Electron Microscopy, X-ray Energy Dispersive Spectrometry, X-Ray Diffraction and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). The coatings mainly consisted in different relative amounts of MgO, brucite, Mg2SiO4, SiO2 depending on the synthesis conditions. Thickness was in the range from 4 to 15 m. The coatings were rather compact with some micrometric and sub-micrometric pores. In agreement with literature, EIS evidenced a bi-layered structure with a more resistive, thick and porous outer layer on the top of a less resistive, thinner and compact barrier (inner) layer in contact with the substrate. The promising features of the coatings described in this study make the presented approach a viable route to increased the corrosion resistance of ZM21 alloys.

A causa dell’alto rapporto peso-resistenza, alla buona formabilità, alla buona protezione elettromagnetica e alla possibilità di essere riciclato, il magnesio e le sue leghe trovano un grande interesse applicativo in svariati settori, come l’elettronica, l’aerospaziale, l’automotive, il nucleare e lo sportivo. Sebbene sia di grande interesse, l’alta suscettibilità alla corrosione restringe notevolmente il numero delle leghe di magnesio applicabili in campo pratico. La lega di magnesio ZM21 è caratterizzata da una maggiore forgiabilità, dovuta a una microstruttura più fine e alla produzione in massa di piccoli pezzi. Però, a causa del possibile attacco corrosivo, la lega ZM21 non può essere applicata in nessun caso pratico. Questo studio ha lo scopo di sviluppare un rivestimento protettivo sopra la lega ZM21 prodotto tramite l’ossidazione elettrolitica al plasma (PEO). La PEO del substrato del ZM21 è stata effettuata in elettroliti alcalini contenenti fosfati, silicati, borati con o senza l’aggiunta di additivi come l’idrossido di potassio. L’effetto della composizione dell’elettrolita, la sua temperatura e il tempo di processo sono stati analizzati grazie a diverse tecniche, come la misura della corrente di Eddy, la profilometria laser, la microscopia a scansione d’elettroni (SEM), la spettroscopia EDS, diffrazione a raggi X (XRD) e la spettroscopia ad impedenza elettrochimica (EIS). Il rivestimento ottenuto consiste principalmente di MgO, brucite (?), Mg2SiO4, SiO2 in diverse quantità, le quali dipendono dalle condizioni di sintesi. Lo spessore è misurato in un intervallo che va dai 4 ai 5 m. Il rivestimento è solitamente compatto con alcune sporadiche porosità micrometri e submicrometriche. In accordo con la letteratura, le analisi EIS evidenziano una struttura bistrato con un layer esterno più resistente, spesso e poroso mentre un layer interno, a contatto con il substrato, meno resistente, più sottile e compatto. Le caratteristiche promettenti di questo rivestimento descritte in questo studio sottolineano come l’approccio presentato può essere considerato come una strada percorribile per la produzione di leghe ZM21 con una maggiore resistenza alla corrosione.