Plasma electrolytic oxidation (PEO) and corrosion resistance of AA2024 with a shark-skin biomimetic surface

The aluminium alloy 2024 (AA2024), used in the nautical and aeronautical fields for structural applications, is characterized by an excellent combination of lightness and mechanical properties. However, this alloy has moderate corrosion resistance because the natural protective alumina film (Al₂O₃) cannot withstand particularly aggressive conditions, mainly related to the presence of chloride ions. A possible solution to improve the corrosion resistance of AA2024 is to treat it with plasma electrolytic oxidation (PEO). This treatment consists of high-voltage anodic oxidation in aqueous solutions where plasma discharges can grow a thick and resistant oxide layer, the morphology of which can be modified through process parameters. In this work, PEO of AA2024 was optimized by considering two electrical histories and three different solutions. The effect of chemical composition of the electrolytes and electrical parameters on the oxide morphology was evaluated through visual observation, voltage/current (V-I) profile analysis, scanning electron microscopy (SEM), and X-ray diffraction (XRD) tests. The electrochemical behaviour and corrosion resistance of the samples were evaluated using potentiodynamic polarization (PDP) curves and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) tests, with equivalent circuits reported. The most significant results were obtained by working at a high potential (455 V) with a mixed solution of KOH and NaOH in a 1:4 ratio and a concentration of 0.2 M containing glycerine (10 g/L) and sodium metasilicates (10 g/L). The PEO optimization was conducted with the aim of applying the treatment to surfaces functionalized with a biomimetic texture, characterized by microstructures, called riblets, designed to reduce hydrodynamic friction. Riblets are inspired to the microstructure of “mako” shark-skin, which is characterized by a low fluid dynamic friction in contact with water. In this context, different geometries were studied, and an evaluation of the spacing and height parameters of the riblets was conducted for three different potential applications: for a civil aircraft, an unmanned aerial vehicle (UAV), and an AC75 foil. The dimensions derived for the UAV were selected as the test sample, and the AA2024 specimens were produced with a semi-ellipse cross-section geometry. The PEO treatment conducted on the textured specimens was visually analysed under an optical microscope. The results show that it is possible to replicate the substrate profile with the oxide layer quite well, although the curvature radius of the peaks is increased. The research activities discussed in this thesis are part of a research project called MAKO – Biomimetic Corrosion Resistant Aluminium for Aeronautics (PRIN 2022, COD. PROTOCOLLO: 2022H3S28T, CUP MASTER: D53D23005410006) FINANZIATO DALL'UNIONE EUROPEA – NEXT GENERATION EU, PNRR - MISSIONE 4 “ISTRUZIONE E RICERCA” - COMPONENTE C2 INVESTIMENTO 1.1 “FONDO PER IL PROGRAMMA NAZIONALE DI RICERCA E PROGETTI DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE (PRIN)” D.D. N. 104/2022 “BANDO PRIN 2022”) whose goal is to improve the corrosion resistance of aluminium alloy 2024 by optimizing the anodic PEO (plasma electrolytic oxidation) treatment, together with the formation of a nature-inspired texture on oxidized aluminium to reduce the drag force and improving the fluid-dynamic performance.

La lega di alluminio 2024 (AA2024), utilizzata in campo nautico e aeronautico per applicazioni strutturali, è caratterizzata da un’ottima combinazione di leggerezza e proprietà meccaniche. Tuttavia, questa lega presenta una moderata resistenza a corrosione poiché l’ossido superficiale di allumina (Al₂O₃) non è in grado di resistere a condizioni particolarmente aggressive, caratterizzate ad esempio dalla presenza elevata di cloruri. Una possibile soluzione per migliorare le prestazioni di questa lega è sottoporla ad un trattamento di ossidazione elettrolitica al plasma (PEO). Questo processo consiste in un’ossidazione anodica ad alta tensione in soluzione acquosa; le scariche di plasma sono in grado di crescere uno strato di ossido spesso e resistente, la cui morfologia può essere modificata attraverso i parametri di processo. In questa tesi, il trattamento PEO su AA2024 è stato ottimizzato prendendo in considerazione due storie elettriche e tre differenti soluzioni. L’effetto degli elettroliti e dei parametri elettrici sulla morfologia dell’ossido è stato valutato attraverso osservazione visiva, andamento del profilo tensione/corrente (V-I), analisi al microscopio a scansione elettronica (SEM) e test di diffrazione a raggi X (XRD). Il comportamento elettrochimico e la resistenza a corrosione dei campioni sono stati valutati mediante le curve di polarizzazione potenziodinamiche (PDP) e test di impedenza spettroscopica (EIS) di cui sono riportati i circuiti equivalenti. I risultati più significativi sono stati ottenuti lavorando a più alto potenziale (455 V) con una soluzione mista di KOH e NaOH in rapporto 1:4 e concentrazione di 0.2 M contenente glicerina (10 g/L) e metasilicati di sodio (10 g/L). L’ottimizzazione del trattamento PEO è stata condotta nell’ottica di applicare tale processo a superfici funzionalizzate con texture biomimetica, caratterizzata da microstrutture, chiamate riblets, atte a ridurre l’attrito fluidodinamico. In quest’ottica sono state studiate le differenti geometrie e una valutazione dei parametri di spaziatura e altezza delle riblet è stata condotta per tre possibili applicazioni: per un aereo civile, per un velivolo senza equipaggio (UAV) e per il foil di un AC75. Le dimensioni ricavate per l’UAV sono state selezionate come campione di prova e i provini in AA2024 sono stati prodotti con una geometria di sezione a semiellisse. Il trattamento PEO condotto sui provini texturizzati è stato analizzato visivamente al microscopio ottico. I risultati mostrano che è possibile replicare il profilo del substrato con lo strato di ossido abbastanza bene, anche se il raggio di curvatura dei picchi risulta essere aumentato. L’attività discussa in questa tesi è parte di un progetto di ricerca denominato MAKO – Biomimetic Corrosion Resistant Aluminium for Aeronautics (PRIN 2022, COD. PROTOCOLLO: 2022H3S28T, CUP MASTER: D53D23005410006) FINANZIATO DALL'UNIONE EUROPEA – NEXT GENERATION EU, PNRR - MISSIONE 4 “ISTRUZIONE E RICERCA” - COMPONENTE C2 INVESTIMENTO 1.1 “FONDO PER IL PROGRAMMA NAZIONALE DI RICERCA E PROGETTI DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE (PRIN)” D.D. N. 104/2022 “BANDO PRIN 2022”) il cui scopo è migliorare la resistenza a corrosione della lega d’alluminio 2024 mediante un processo di anodizzazione al plasma (PEO - plasma electrolytic oxidation), insieme all’ottenimento di una superficie funzionalizzata con texture biomimetica ispirata alla pelle dello squalo mako, caratterizzata da un basso attrito fluidodinamico con l’acqua.