Low-energy high-current electron beam treatment and hard anodizing of AlSi13 and AlSi34 alloys

Aluminum alloys play a crucial role in several engineering fields, like aviation, aerospace, automotive, construction, electronics and marine industry. The wide use in structural applications is related to their excellent combination of properties, including low density, high strength-to-weight ratio, excellent thermal conductivity, good castability and machinability, and easy recycling. The addiction of alloying elements allows to enhance mechanical and thermal properties. In aluminum-silicon alloys, the content of silicon usually varies between 4 and 25 wt.% and other alloying elements, such as copper, magnesium, manganese and iron, may be added in smaller amounts. The formation of a surface oxide layer is exploited to provide high corrosion resistance, hardness, and wear resistance. However, the anodizability of Al-Si alloys is strongly influenced by the presence of alloying elements, that makes the achievement of a performing and durable anodic layer a challenging task. In the present work, the hypereutectic AlSi13 and AlSi34 alloys are considered. The presence of silicon particles, related to the low solubility of silicon in the aluminum matrix, causes the formation of non-oxidized regions and oxygen gas generation, affecting the integrity of the anodic oxide layer and worsening its final properties. A Low-Energy High-Current Electron Beam (LEHCEB) source is employed to achieve the redistribution of silicon in the surface and subsurface layers of the alloys, thanks to the partial dissolution of coarse silicon structures and the production of smaller and finely dispersed particles. This technique, based on ultrafast melting and solidification, is modelled in details using COMSOL Multiphysics software, in order to simulate the dynamic temperature fields arising from the electron-metal interaction. On the experimental level, the LEHCEB irradiation is exploited as surface pre-treatment for the subsequent hard anodizing process. The aim is the formation of a compact and uniform oxide layer, resulting in improved properties. Thus, the effect of the electron beam pre-treatment on the anodic oxides formation is investigated via optical and electron microscopy, EDS analysis, corrosion tests and microindentation measurements.

Le leghe di alluminio svolgono un ruolo cruciale in diversi campi ingegneristici, come l'aviazione, l'aerospazio, l'automotive, l'edilizia, l'elettronica e l'industria navale. L'ampio utilizzo nelle applicazioni strutturali è legato alla loro eccellente combinazione di proprietà, tra cui la bassa densità, l’elevato rapporto resistenza/peso, l’eccellente conducibilità termica, la buona colabilità e lavorabilità e la riciclabilità. L'aggiunta di elementi di lega permette di migliorare le proprietà meccaniche e termiche. Nelle leghe di alluminio-silicio, il contenuto di silicio varia solitamente tra il 4 e il 25 % in peso e altri elementi di lega, come rame, magnesio, manganese e ferro, possono essere aggiunti in quantità minori. La formazione di uno strato di ossido superficiale viene sfruttata per fornire elevata resistenza alla corrosione, durezza e resistenza all'usura. Tuttavia, l’anodizzabilità delle leghe Al-Si è fortemente influenzata dalla presenza di elementi di lega, che rendono l’ottenimento di uno strato anodico performante e durevole un compito impegnativo. Nel presente lavoro vengono prese in considerazione le leghe ipereutettiche AlSi13 e AlSi34. La presenza di particelle di silicio, correlata alla bassa solubilità del silicio nella matrice di alluminio, provoca la formazione di regioni non ossidate e la generazione di ossigeno gassoso, compromettendo l'integrità dello strato di ossido anodico e peggiorandone le proprietà finali. Una sorgente a fascio di elettroni ad alta corrente a bassa energia (LEHCEB) viene utilizzata per ottenere la ridistribuzione del silicio negli strati superficiali e sub-superficiali delle leghe, grazie alla parziale dissoluzione delle strutture grossolane di silicio e alla produzione di particelle più piccole e finemente disperse. Questa tecnica, basata su fusione e solidificazione ultrarapide, è modellata in dettaglio utilizzando il software COMSOL Multiphysics, al fine di simulare i campi di temperatura dinamici derivanti dall'interazione elettrone-metallo. A livello sperimentale, l'irraggiamento LEHCEB viene sfruttato come pretrattamento superficiale per il successivo processo di anodizzazione dura. Lo scopo è la formazione di uno strato di ossido compatto ed uniforme, che porta a proprietà migliorate. Pertanto, l'effetto del pretrattamento con fascio elettronico sulla formazione degli ossidi anodici viene studiato mediante microscopia ottica ed elettronica, analisi EDS, prove di corrosione e misure di microindentazione.