Different sealing processes for a plasma electrolytic oxidation (PEO) coating on AA2024

Aluminium alloys are notoriously characterized by excellent mechanical, thermal, and electrical properties, as well as great corrosion resistance. In various environments, they spontaneously generate a passive oxide film that protects the underlying metal from subsequent severe corrosion phenomena. However, this film is thin and insufficient to ensure passivity in the various fields of aluminium application. Therefore, electrochemical treatments are carried out to create a thicker oxide layer, well adherent to the surface, capable of resisting attacks from aggressive species. Among these, there is Plasma Electrolytic Oxidation (PEO), an emerging process that allows the creation of a thick oxide layer using high electric potentials and alkaline electrolyte solutions free from harmful substances for humans and the environment. The structure of the oxide created through PEO is notably porous, due to the plasma discharges that occur during the process. Sealing processes are then carried out after the formation of the anodic coating, to hinder the passage of corrosive species with protective barriers that seal the porosity and/or through the use of inhibitory agents. The purpose of this work is the analysis and comparison of some immersion sealing methods performed on AA2024 substrates treated with PEO. Starting from the hydrothermal treatment, the most commonly used in the industrial field, treatments based on calcium acetates, cerium nitrates, and in-situ synthesis of LDH (Layered Double Hydroxide) structures are then analysed. For an optimal comparison, similar process times (15 min) are used for all treatments, followed by new tests with some procedural modifications for those that provided the best results, in order to evaluate any improvements. The analysis of each sample is based on characterization tests to study the morphology and composition of the oxide before and after sealing, through XRD, SEM, and EDS maps, and electrochemical tests to evaluate susceptibility to corrosion phenomena, stability, and integrity of the treated oxide in aggressive environments, through Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), Linear Polarization Resistance (LPR), and potentiodynamic tests. Processes based on cerium nitrates and LDH synthesis are found to be the most effective, providing stability and protection from corrosive species to the oxide, thanks to a synergistic action of corrosion inhibition and sealing of porosity with a barrier of precipitated species.

Le leghe di alluminio sono notoriamente caratterizzate da ottime proprietà meccaniche, termiche ed elettriche, oltre che da una grande resistenza alla corrosione. In diversi ambienti esse generano spontaneamente un film passivo di ossido che protegge il metallo sottostante da successivi fenomeni di corrosione più severa. Tale film, però, è sottile ed è insufficiente per garantire passività negli svariati campi di applicazione dell’alluminio. Pertanto, vengono effettuati trattamenti elettrochimici al fine di creare uno strato di ossido più spesso, ben aderente alla superficie, in grado di resistere agli attacchi di specie aggressive. Fra questi, vi è l’ossidazione elettrochimica al plasma (PEO), emergente processo che permette di creare spessi strati di ossido utilizzando alti potenziali elettrici e soluzioni elettrolitiche alcaline prive di sostanze dannose per l’uomo e per l’ambiente. La struttura dell’ossido creato tramite PEO è notevolmente porosa, a causa delle scariche di plasma che avvengono durante il processo. Quindi, si effettuano processi di sigillatura dopo la formazione del rivestimento anodico, al fine di ostacolare il passaggio delle specie corrosive con barriere protettive che occludono la porosità e/o tramite l’utilizzo di agenti inibitori. Lo scopo di questo elaborato è l’analisi ed il confronto di alcuni fra i metodi di sigillatura per immersione, su basi di AA2024 trattate con PEO. Partendo dal trattamento idrotermico, il più adoperato in campo industriale, si sono poi analizzati i trattamenti a base di acetati di calcio, di nitrati di cerio e con sintetizzazione in-situ di strutture LDH. Per un confronto ottimale sono stati impiegati tempi di processi analoghi (15 min) per tutti i trattamenti, salvo poi effettuare nuove prove con alcune modifiche procedurali, per quelli che hanno fornito i risultati migliori, al fine di valutarne gli eventuali miglioramenti. L’analisi di ciascun processo si è basata su prove di caratterizzazione chimica (per studiare la morfologia e la composizione dell’ossido prima e dopo, con XRD, SEM e EDS) e su prove elettrochimiche (per valutarne la suscettibilità ai fenomeni di corrosione, la stabilità e l’integrità dell’ossido trattato in ambienti aggressivi, con EIS, LPR e prove potenziodinamiche). I processi a base di nitrati di cerio e con sintetizzazione di LDH si sono rivelati i più efficaci, conferendo all’ossido stabilità e protezione da specie corrosive, grazie ad una sinergica azione di inibizione alla corrosione e di sigillatura della porosità tramite barriera di specie precipitate.