Optimization of Plasma Electrolytic Oxidation (PEO) on light alloys for improving corrosion resistance

This thesis investigates different strategies to enhance the corrosion resistance of light alloys, commercially pure titanium (Ti Grade 2), aluminum alloy AA2024, and magnesium alloy AZ31, through plasma electrolytic oxidation (PEO) treatments. Three main approaches are explored. The first involves the optimization of electrochemical processing parameters through controlled modulation of the electrical input and modification of the electrolyte composition. The latter is obtained mainly by using organic additives. This strategy enables improved control of the plasma discharge regime, reducing destructive discharges and promoting the formation of compact, uniform oxide layers with enhanced protective performance. The second approach focuses on the incorporation of titanium dioxide particles during the PEO process. Particle incorporation improves the formation of highly sintered and uniform coatings on titanium substrates. Dealing with AA2024 and AZ31 alloys, TiO2 particle uptake contributes to the development of corrosion-resistant phases in the PEO coatings. The third strategy evaluates sealing post-treatments applied to PEO coatings produced on AA2024 and AZ31. Two types of sealings are investigated: cerium-based treatments and zinc hydroxide/metavanadate-based systems. Both post-treatments aimed at improving coating performance through enhanced barrier protection, reached by occlusion of coating porosity, and corrosion inhibition, provided by cerium or metavanadate ions. Electrochemical characterization demonstrates that all investigated strategies effectively improve the corrosion resistance of the treated substrates. Among them, sealing post-treatments exhibit the highest effectiveness, leading to orders-of-magnitude increases in polarization resistance and significant reductions in corrosion current density. Organic additives also provide substantial benefits by promoting compact, low-defect coatings with a predominantly crystalline structure that hinders the diffusion of aggressive ions. Although particle incorporation proves comparatively less effective, it still improves corrosion resistance relative to untreated.

Questa tesi analizza diverse strategie per migliorare la resistenza alla corrosione di titanio commercialmente puro (Ti Grado 2), lega di alluminio AA2024 e lega di magnesio AZ31 mediante trattamenti di ossidazione elettrolitica al plasma (PEO). Sono stati studiati tre approcci principali. Il primo riguarda l’ottimizzazione dei parametri di processo, attraverso la modulazione del segnale elettrico applicato e la modifica della composizione dell’elettrolita. Quest’ultima strategia si è basata principalmente sull’aggiunta di additivi organici che consente un migliore controllo delle scariche al plasma, limitando i fenomeni distruttivi e favorendo la formazione di rivestimenti ossidi più compatti, uniformi e protettivi. Il secondo approccio prevede l’incorporazione di particelle di biossido di titanio (TiO₂) durante il trattamento PEO. Sui substrati di titanio, tali particelle favoriscono la formazione di rivestimenti più omogenei e compatti, mentre sulle leghe AA2024 e AZ31 contribuiscono allo sviluppo di fasi con maggiore resistenza alla corrosione. Il terzo approccio riguarda l’applicazione di post-trattamenti di sigillatura ai rivestimenti PEO ottenuti sulle leghe di alluminio e magnesio. Sono stati investigati trattamenti a base di cerio e sistemi contenenti idrossido di zinco/metavanadato, finalizzati alla chiusura della porosità superficiale e all’inibizione dei processi corrosivi grazie all’azione degli ioni cerio e metavanadato. Le analisi elettrochimiche dimostrano che tutte le strategie adottate migliorano la resistenza alla corrosione dei materiali trattati. In particolare, i post-trattamenti di sigillatura risultano i più efficaci, determinando incrementi di diversi ordini di grandezza della resistenza di polarizzazione e una significativa riduzione della densità di corrente di corrosione. Anche l’utilizzo di additivi organici porta alla formazione di rivestimenti più compatti e meno difettosi, caratterizzati da una struttura prevalentemente cristallina in grado di ostacolare la diffusione di specie aggressive. L’incorporazione di particelle di TiO₂, pur mostrando effetti meno marcati, contribuisce comunque a migliorare le proprietà anticorrosive rispetto ai substrati non trattati.