Grenzflächeneigenschaften und Lokalkorrosion photolithographisch strukturierter Al-Cu-Legierungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Untersuchung des Korrosionsverhaltens von synthetischen heterogenen Aluminiumlegierungen sollte eine systematischere Untersuchung der Wechselwirkung der einzelnen Phasen erlauben, als dies bei der Verwendung technischer Legierungen möglich wäre. In dem vorliegenden Projekt wurden solche Legierungen durch photolithographische Strukturierung auf Quarzen für die elektrochemische Quarzmikrowaage (EQCM) hergestellt. Dazu wurden Inseln von für Aluminium-Kupfer-Legierungen relevanten intermetallischen Sekundärphasen (IMP, verwendet wurden Al2Cu und Al2CuMg) auf einer Matrix aus Al oder Al1%Cu abgeschieden. Das Korrosionsverhalten wurde dann unter verschiedenen Messbedingungen mittels EQCM, Impedanzspektroskopie und mikroskopischen Methoden untersucht. Variiert wurden das Material, der Durchmesser, der Abstand und somit die Substratbedeckung der Inseln. Die Korrosionsgeschwindigkeit der strukturierten Proben war deutlich höher als die nichtstrukturierter Vergleichsproben. Al2Cu-Inseln agierten als lokale Kathoden, auf denen sich durch pH- Wert-Erhöhung Korrosionsprodukte abschieden. Grabenförmige Korrosion konnte nicht direkt nachgewiesen werden; allerdings wurden indirekte Hinweise gefunden. So korrodierte auf einigen Quarzen in dem strukturierten Bereich das Matrixmaterial teilweise komplett weg, die Inseln in diesen Bereichen waren aber immer noch vorhanden. Bei längeren Immersionszeiten von bis zu einem Tag war der strukturierte, piezoelektrisch aktive Bereich der Probe komplett verschwunden, und nur Teilbereiche der unstrukturierten Kontaktfahne der Elektrode noch vorhanden. Auf einigen Proben kam es zur Unterwanderung und Ablösung der Inseln, während auf anderen Proben mit einem höheren Flächenanteil an Al2Cu, aber gleich großen Inseln und gleichen Messbedingungen eine solche Unterwanderung nicht beobachtet wurde. Die Akkumulation von Korrosionsprodukten entlang einer Gruppe von Inseln war weniger ausgeprägt als bei früher untersuchten Proben mit großen Kupferinseln. Al2CuMg-Inseln wirkten als lokale Anoden, und korrodierten im Laufe der Experimente weg. Zum Teil wurden Korrosionsprodukte auch auf den Überbleibseln dieser Inseln beobachtet. Die Entlegierungsreaktion führte nach einiger Zeit zu einem stetigen Anstieg des Korrosionspotentials, wobei bei einer Matrix von Al1%Cu die erhaltenen Werte größer waren als bei einer Al-Matrix. Die Messungen mit der elektrochemischen Quarzmikrowaage zeigten, dass bei Kontakt solcher strukturierten Proben mit Luftsauerstoff direkt eine Änderung des Grenzflächenverhaltens einsetzt. Dieses führte zu einer vorübergehenden Zunahme der Dämpfung und einem nicht-gravimetrischen Rückgang der Resonanzfrequenz. Danach wurde normales Verhalten beobachtet, und die Umrechnung in eine Massenänderung nach der Sauerbrey-Gleichung war anwendbar. Die Ergebnisse belegten, dass die Strukturierung eine Veränderung des Korrosionsverhaltens bewirkt. Allerdings wurde kein einfacher Zusammenhang zwischen Parametern wie der bedeckten Fläche und dem Durchmesser der Inseln gefunden. Offenbar ist ist die Korrosionsgeschwindigkeit bei Proben mittlerer Bedeckung am höchsten, Proben mit sehr geringen Flächenanteilen zeigen nach vergleichbarer Immersionsdauer einen vierfach höheren Polarisationswiderstand als Proben mit mittleren Flächenanteilen. Auch die gemessenen Kapazitäten sind nicht wesentlich verschieden für Proben mit geringem und großem Flächenanteil an intermetallischen Phasen. Dies zeigt, dass sich die Grenzflächeneigenschaften und/oder Oxideigenschaften zwischen intermetallischen Verbindungen und der Matrix nicht sehr stark unterscheiden. Zur Untersuchung der verbliebenen Proben ist eine modifizierte Messzelle geplant, um die elektrochemischen Messungen mit in-situ-Mikroskopie koppeln zu können. Idealerweise wäre dies die Rasterlasermikroskopie. Außerdem sollen (an der TU München) die bisher nicht durchgeführten Q-AFM-Messungen ausgeführt werden. Zukünftige Messungen sollen unter den zuletzt eingesetzten Messbedingungen durchgeführt werden, um die Statistik zu verbessern. Dann sollen Simulationen der pH-Wertentwicklung durchgeführt werden, um die Ergebnisse besser zu verstehen. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten dann in die Entwicklung verbesserter Legierungen einfließen, eine unmittelbare Wirkung in diesem Bereich ist allerdings nicht zu erwarten. Eine Weiterentwicklung der Arraytechnik zur Behandlung anderer elektrochemischer Fragestellungen ist vorgesehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- An EQCM Study of the Corrosion of Synthetic Aluminium Alloys; ECS Transactions, 16 (52) 13-24 (2009)
O. Schneider
