Chemische und elektrische Wechselwirkungsmechanismen während der plasmaelektrolytischen (PEO) Mischoxidbildung auf Magnesium
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Magnesium ist mit einer Dichte von 1,7 g/cm³ der leichteste metallische Konstruktionswerkstoff und bietet daher ein enormes Gewichtseinsparungspotential in der Kfz-, Luft- und Raumfahrtechnik. Gegenwärtig wird das Anwendungsspektrum von Mg-Legierungen jedoch durch deren geringe Beständigkeit gegenüber tribologischen und korrosiven Beanspruchungen limitiert. Die plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) ist ein aussichtsreiches Oberflächenveredelungsverfahren, um den genannten Herausforderungen zu begegnen. Hierbei erfährt das zu behandelnde Bauteil innerhalb eines passivierenden, wässrigen Elektrolyten eine starke anodische Polarisation, die die Initiierung plasmaelektrolytischer Funkenentladungen entlang der Substratoberfläche bewirkt. Letztere führen dazu, dass die Bauteiloberfläche im Zuge von Konversionsprozessen in einen keramischen Überzug arteigener kristalliner Oxide umgewandelt wird. Auf Al-basierten Werkstoffen werden mit dieser Methodik exzellente Schichtcharakteristika erzielt, die auf Magnesium nach dem gegenwärtigen Stand der Technik unerreicht bleiben. Dies liegt neben der im Vergleich zu Al2O3-Modifikationen geringen Beständigkeit von MgO vor allem an der defektbehafteten Morphologie der auf Mg- Substraten generierten PEO-Schichten. Deshalb wurde im Zuge des abgeschlossenen Forschungsprojektes ein umfangreiches Prozessdiagnostiksystem entwickelt, um die während der PEO stattfindenden komplexen Substrat/Elektrolyt-Interaktion zu erforschen. Damit gelang es, parasitäre elektrochemische Subprozesse während der PEO von Magnesium zu identifizieren. Diese wirken selbstverstärkend und führen über Elektrolysereaktionen, begleitet von lokalisierter Versauerung an den Elektroden und dem daraus resultierenden Substrangriff, zu einer fortwährenden Schädigung des Substrat/Schicht-Interfaces. Die zugrundeliegenden Vorgänge lassen sich durch Zugabe passivierender Elektrolytkomponenten zwar beeinflussen, jedoch nicht unterbinden. Bei Verwendung hoher Konzentrationen Si- und Al-haltiger Elektrolytspezies gelingt das Verschieben des PEO-Schichtbildungsgleichgewicht zu Gunsten beständigerer AlMg- und SiMg-Mischoxide. Allerdings führt dies aufgrund der nach wie vor auftretenden defektbehafteten Schichtmorphologie nicht zu der gewünschten Verbesserung der technologischen Schichteigenschaften Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit. Der im Projekt erzielte Erkenntnisgewinn eröffnet eine Forschungsstrategie, auf deren Basis unter Verwendung metastabiler Aluminat-Elektrolyte die Selbstverstärkung der kritischen Vorgänge gezielt unterbunden und gleichzeitig ein weiterer Reaktionspfad für die Inkorporation von Elektrolytkomponenten in die PEO-Schicht eröffnet wird. Darüber hinaus stellt die publizierte Weiterentwicklung des PEO-Prozessdiagnostiksystems einen signifikanten wissenschaftlichen Mehrwert für die komplette PEO-Verfahrensgruppe dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Introduction to Plasma Electrolytic Oxidation—An Overview of the Process and Applications. Coatings, 10(7), 628.
Simchen, Frank; Sieber, Maximilian; Kopp, Alexander & Lampke, Thomas
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Methoden der Elektrolytentwicklung und Prozessdiagnostik für die plasmaelektrolytische Oxidation am Beispiel der PEO von niedrig legiertem Stahl, WOMag 2021, 5
Simchen, F.; Mehner, T. & Lampke, T.
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Diagnostics of Plasma Electrolytic Oxidation Prozesses on Magnesium, Posterbeitrag, Werkstofftechnisches Kolloquium, 2023
Simchen, F.
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Identifikation parasitärer elektrochemischer Subprozesse bei der plasmaelektrolytischen Oxidation von Magnesium, ZVO-Oberflächentage, Berlin 13.–15.9.2023
Simchen, F.; Albero Rojas, C.; Schwöbel, S.; Mehner, T. & Lampke, T.
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Specification of parasitic electrochemical subprocesses during plasma electrolytic oxidation of magnesium. Electrochimica Acta, 464, 142858.
Simchen, F.; Schwöbel, S.D.; Mehner, T. & Lampke, T.
