Corrosion resistance of PEO-coated AA2024 with a shark-skin biomimetic surface: accelerated and electrochemical tests

AA2024 aluminium alloy (Al- 4%Cu – 1.5%Mg), widely employed in the aircraft industry for structural applications, offers an excellent combination of light weight and good mechanical properties. However, it has reduced resistance to localized corrosion, especially in particularly aggressive conditions such as the presence of chlorides. To improve the performance of this alloy, it is possible to use a plasma electrolytic oxidation (PEO) coating. This process, which consists of a high-voltage anodic oxidation in aqueous solution, generates plasma discharges that allow the formation of a thick and resistant oxide surface layer, whose morphology can be modulated by varying the process parameters. The use of biomimetic surface textures inspired by sharks is an increasingly frequent strategy for aeronautical components directly exposed to the working fluid, as these are capable of passively reducing, i.e. without any further expenditure of energy, fluid dynamic friction. This thesis project focused on the study of the corrosion resistance of biomimetic surfaces in AA2024 coated via PEO. In particular, two different electrolyte solutions were considered and the application of a pore sealing post-treatment useful to improve surface morphological properties was studied. Smooth and textured AA2024 samples were subjected to PEO treatment using two different electrolyte solutions due to the presence or absence of 10g/L of acetic acid; part of these were then subjected to a thermochemical treatment of coating defects sealing by precipitation of ZnAl double layer hydroxide (LDH) lamellae. The coatings thus obtained were characterized in their morphology and composition through electron scanning microscope (SEM) analysis with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The corrosion resistance provided was evaluated through electrochemical tests (Potentiodynamic Polarization PdP, Electrochemical Impedance Spectroscopy EIS, Linear Polarization Resistance LPR) and accelerated corrosion tests (Neutral Salt spray NSS and Prohesion test). The results obtained from the tests showed how the addition of acetic acid in the electrolyte and the post-treatment of pore sealing are valid to improve the morphological properties of the coating and consequently increase its resistance to corrosion. The activity discussed in this thesis is part of a research project called MAKO – Biomimetic Corrosion Resistant Aluminum for Aeronautics (PRIN 2022, PROTOCOL CODE: 2022H3S28T, CUP MASTER: D53D23005410006) FUNDED BY THE EUROPEAN UNION – NEXT GENERATION EU, PNRR - MISSION 4 “EDUCATION AND RESEARCH” - COMPONENT C2 INVESTMENT 1.1 “FUND FOR THE NATIONAL RESEARCH PROGRAM AND PROJECTS OF SIGNIFICANT NATIONAL INTEREST (PRIN)” DDN. 104/2022 “PRIN CALL 2022”) whose purpose is to combine on the AA2024 surface a biomimetic texture aimed at reducing fluid dynamic friction with a PEO coating capable of increasing its resistance to corrosion.

La lega di alluminio AA2024 (Al- 4% Cu – 1,5% Mg), ampiamente impiegata nel settore aeronautico per applicazioni strutturali, offre un’eccellente combinazione di leggerezza e buone proprietà meccaniche. Tuttavia, presenta una ridotta resistenza alla corrosione localizzata, specialmente in condizioni particolarmente aggressive quali la presenza di cloruri. Per migliorare le prestazioni di questa lega, è possibile ricorrere ad un rivestimento per ossidazione elettrolitica al plasma (PEO). Questo processo, che consiste in un’ossidazione anodica ad alta tensione in soluzione acquosa, genera scariche di plasma che permettono la formazione di uno strato superficiale di ossido spesso e resistente, la cui morfologia può essere modulata variando i parametri di processo. L’utilizzo di texture superficiali biomimetiche ispirate agli squali è una strategia sempre più frequente per i componenti aeronautici direttamente esposti al fluido di lavoro, in quanto queste sono capaci di ridurre passivamente, ovvero senza alcun dispendio ulteriore di energia, l’attrito fluidodinamico. Questo progetto di tesi si è focalizzato sullo studio della resistenza a corrosione di superfici biomimetiche in AA2024 rivestite tramite PEO. In particolare, sono state prese in considerazione due diverse soluzioni elettrolitiche ed è stata studiata l’applicazione di un post-trattamento di sigillatura dei pori utile a migliorare le proprietà morfologiche superficiali. Campioni di AA2024 lisci e texturizzati sono stati soggetto di trattamento PEO utilizzando due soluzioni elettrolitiche differenti per la presenza o meno di 10g/L di acido acetico; parte di questi sono quindi stati sottoposti ad un trattamento termochimico di sigillatura dei difetti del rivestimento mediante precipitazione di lamelle di idrossidi a doppio strato ZnAl (LDH). I rivestimenti così ottenuti sono stati caratterizzati nella loro morfologia e composizione tramite analisi al microscopio a scansione elettronica (SEM) con spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS). La resistenza a corrosione fornita è stata valutata attraverso test elettrochimici (Polarizzazione potenziodinamica PDP, Spettroscopia di impedenza elettrochimica EIS, Resistenza di polarizzazione lineare LPR) e prove accelerate di corrosione (Nebbia salina neutra NSS e Prohesion test). I risultati ottenuti dalle prove hanno evidenziato come l’aggiunta di acido acetico nell’elettrolita ed il post-trattamento di sigillatura dei pori risultino validi per migliorare le proprietà morfologiche del rivestimento, e di conseguenza incrementare la sua resistenza a corrosione. 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 combinare sulla superficie dell’AA2024 una texture biomimetica volta a ridurre l’attrito fluidodinamico con un rivestimento PEO in grado di aumentarne la resistenza a corrosione.