A GDOES study of anodized and sealed Aluminum-Silicon alloys for automotive applications

The study focuses on the use of Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy (GDOES) to analyze qualitatively the chemical composition and quantitatively the penetration depth of sealed anodic layers in anodized Aluminum-Silicon (AlSi) alloys, which are highly relevant in the automotive sector. For the said anodic layers a standard GDOES calibration procedure is not executable. Therefore, a new protocol has been proposed to determine at least the erosion rate (ERGDOES) of the anodic layer and the penetration depth (PDGDOES) of a trivalent Chromium -based (Cr(III)) sealing process. Validated through scanning electron microscopy (SEM), this protocol exploits the capabilities of GDOES analysis to optimize sealing processes by providing rapid feedback on the composition of the sealed layer and the depth of sealant penetration. It consists of analyzing Silicon (Si) and Chromium (Cr) signals and correlating them with the depth of the anodic layer. It estimates ERGDOES by dividing the Si spectra into four regions; region III represents the stage where both the anodic layer and part of the AlSi substrate are eroded. The ERGDOES is calculated by dividing the anodic layer thickness, by the time at the midpoint of region III. The penetration depth of the Cr(III)-based sealant is then evaluated using the Cr signal: first time axis is converted in a depth axis by multiplying it for ERGDOES, then the transition point, marking the end of the sealed layer, is arbitrarily defined with the first derivative of the Cr signal set at -0.00075; PDGDOES is registered at this point. Additionally, this study highlights for the first time in literature how defects in the anodic layer of AlSi alloys impact both the ER and sputtering uniformity. In summary, the sputtering of anodic layers of AlSi alloys during GDOES analysis is highly inhomogeneous and influenced by interconnected factors, including all relating to the presence of defects in the anodic layer. Understanding these phenomena is crucial for a correct interpretation of the GDOES spectra and for developing reliable analytical protocols to characterize anodic layers and their sealing.

Lo studio mira all'impiego della spettrometria ottica a scarica di bagliore (GDOES) per analizzare qualitativamente la composizione chimica e quantificare la profondità di penetrazione dei processi di sigillatura anodica delle leghe di Alluminio-Silicio (AlSi), oggetto di interesse per il settore automotive. Per gli strati anodici di tali leghe le normali procedure di calibrazione GDOES non risultano applicabili. In tal senso è stato proposto un nuovo protocollo per la determinazione del tasso di erosione (ERGDOES) dello strato anodico, nonché della profondità di penetrazione (PDGDOES) di un processo di sigillatura anodica al cromo trivalente (Cr(III)). Tale protocollo, validato tramite microscopia elettronica (SEM), viste le potenzialità dell’analisi GDOES, consente di ottimizzare i processi di sigillatura tramite feedback rapidi per quanto riguarda la composizione dello strato sigillato e la penetrazione del sigillante anodico. Il protocollo si basa sull'analisi dei segnali di silicio (Si) e cromo (Cr) e sulla loro correlazione con la profondità dalla superficie strato anodico. Stima il tasso di erosione (ERGDOES) dividendo gli spettri di Si in quattro regioni; la regione III rappresenta lo stadio in cui vengono erosi sia lo strato anodico che una prima parte del substrato AlSi. L’ERGDOES si calcola dividendo lo spessore anodico, determinato tramite analisi metallografica, per il tempo al punto medio della regione III. La profondità di penetrazione del sigillante al Cr(III) viene infine valutata dal segnale di Cr, convertendo l'asse dei tempi in profondità moltiplicandola per ERGDOES. Infine, definendo il punto di transizione che segna la fine dello strato sigillato con il valore di -0.00075 della derivata prima del segnale di Cr, PDGDOES viene registrata in questo punto. Nello studio, inoltre, si evidenzia per la prima volta come i difetti nello strato anodico delle leghe AlSi influenzino tassso di erosione e uniformità dello sputtering. In sintesi, lo sputtering degli strati anodici delle leghe AlSi durante le analisi GDOES è disomogeneo, e ciò dipende da diversi fattori interconnessi, tra cui la composizione della lega, la dimensione dei grani cristallini e la presenza di difetti nello strato anodico legata appunto a questi fattori. La comprensione di questi fenomeni è fondamentale per l'interpretazione corretta degli spettri GDOES e per lo sviluppo di protocolli analitici affidabili per la caratterizzazione degli strati anodici di leghe AlSi.