Fundamentals of Intergranular Corrosion in Aluminum Alloys

Prosjektet "Fundamentals of Intergranular Corrosion in Aluminum Alloys" (FICAL) handlet om å forstå intergranulær korrosjon (IGC) i aluminiumlegeringer. IGC sprer seg langs korngrensene til en legering og er en begrensende faktor for industrien når det gjelder å finne nye områder for bruk av aluminium, for eksempel nye bildeler. Å kunne redusere IGC uten forringelse av mekaniske egenskaper vil ha betydelig økonomisk betydning. FICAL var et femårig KPN-prosjekt som etablerte ny forståelse av mekanismene knyttet til IGC. Forskningspartnerne var NTNU og SINTEF, og prosjektet var delvis finansiert og gjennomført i samarbeid med industrien som representerer hele aluminiums verdikjede, fra råvare til komponentprodusenter. Industripartnerne var Hydro, Gränges, Benteler og Steertec Raufoss. To PhD studenter og en postdoc har blitt utdannet i prosjektet, i tillegg til seks masterstudenter. Det er publisert 15 vitenskapelige artikler i prosjektet, og 6 til forventes å komme i ettertid. Det er gitt 27 presentasjoner på konferanser. For å forstå IGC måtte vi 1) Utforske nanoskala elektrokjemiske årsaker til IGC; 2) Måle korngrensekjemi og mikrostruktur; 3) Forstå igangsetting og utbredelse av IGC; og 4) Modellere korngrenser for å kunne forutsi hvor avhengig IGC er av legeringssammensetning og termisk historie. Denne kunnskapen skal så bli implementert i utvikling og design av nye aluminiumslegeringer. Legeringene studert i prosjektet ble valgt i nært samarbeid med og levert av industripartnerne. På denne måten hadde resultatene direkte relevans for industrien. Korrosjonsegenskapene har blitt studert kvantitativt ned til nanometer skala ved hjelp av avanserte krakteriseringsinstrumenter, vi har brukt transmisjonelektronmikroskopi (TEM), fokusert ionestråle (FIB) og atomprobe tomografi (APT) - alle disse er instrumenter i nasjonale infrastrukturer (NORTEM, NORFAB og MiMAC). Et av studiene som ble utført var av en industriell Al-Mg-Zn-legering fra Benteler som viser intergranulær spenningskorrosjon (IGSCC). Her er mikrostruktur og kjemi rundt korngrenser studert i detalj ved bruk av TEM som koplet dette med korrosjonsegenskaper. Dette ble brukt til å gi gode analytiske datasett som igjen ble brukt for å sette opp modeller. Kimdanning og spredning av IGC er sentrale komponenter for å skaffe seg et godt bilde av IGC og etablere parametere for forutsigbarhet og kontroll. Vi har her gjort en grundig studie av ekstruderte AA6005 legeringer knyttet mot Hydro. IGC er relatert til overflatebehandling, sekundære faser av legeringen og størrelse og orientering av korn på overflaten. I hvilken grad sekundære faser initierer og fremmer IGC ved å fungere som eksterne katoder på metalloverflaten, er studert i detalj. Hovedformålet med modelleringsaktivitetene var å forutsi kjemi og strukturell utvikling av korngrenser under ulike termomekaniske varmebehandlinger. Å se på forbindelsen til mekaniske egenskaper var også et av hovedmålene. Det ble gjort betydelige framskritt i utviklingen av modelleringsrammeverket, samt fysiske modeller for segregering av oppløste atomer og utfellinger i korngrenser. Spesielt er utviklingen av vakanstetthet som funksjon av varmebehandling inkludert i modellen, og en modell for kornegrensepresipitering ble implementert. Vi håper nå å kombinere vakans-, segregerings- og presipiteringsmodellene for å kunne forutsi kjemi og struktur i korngrenser, og utvide rammeverket til å inkludere dynamisk IGC. Virkningen av termomekanisk behandling på IGC-egenskapene til ekstruderte profiler og valsede plater av Al-Mg-Si med lavt Cu-innhold for bilindustrien har vært en stor aktivitet i prosjektet. Vi har observert høy IGC-følsomhet i nesten kopper-frie (<0,01 vekt%) legeringer, og at små endringer i sammensetningen av ekstruderte produkter påvirker IGC-motstand betydelig under akselererte testbetingelser. Vi har også sett på legeringer uten Mn og Fe, samt effekten av tekstur med hensyn på IGC. Vi observerte en stor variasjon i resultatene oppnådd ved standardiserte korrosjonstester. En Round-Robin-test ble derfor gjennomført i alle laboratoriene knyttet til prosjektet for å kontrollere hvordan forskjellig IGC-testpraksis påvirker mengden og typen av korrosjonsangrep. Dette systematiske studiet viser små variasjoner og er oppsummert i en rapport, som også rangerer IGC-motstanden for en rekke Al-Mg-Si legeringer. Selv om det enda ikke har kommet nye industrielle prosesser eller patenter, har industrien uttrykt at de har fått mye bedre forståelse av IGC, og at prosjektet har ført til mye ny kunnskap. Industrielle partnere vil bruke denne nye kunnskapen til å utvikle nye produkter og prosesser. Men vi har også vist at det er behov for videreføring av denne typen forskning.

We provide new info about the role of external and internal cathodes in initiation and propagation of IGC. We also highlight the importance of grain boundary (GB) properties and chemistry for IGC and that 6xxx alloys can be optimized to obtain desirable changes in the GB nanostructure and chemistry, grain size, geometry, the surface microstructure and also maintain the protective oxide formed during extrusion. The microstructure study involves new understandings concerning the precipitation behavior in 6xxx and 7xxx alloys. It is shown that corrosion can be reduced by altering the processing parameters, and that the fundamental reason for this is closely related to the precipitates. Methodologies for improved investigation of GBs have been presented. From the modelling side, a model of the GBs, including vacancies and solutes has been developed and tested. The combined findings will be important in producing Al alloys with excellent mechanical properties and corrosion resistance.

Susceptibility to Intergranular Corrosion (IGC) is a limiting factor in finding new applications for aluminium alloys, such as for components for the automotive industry, that require improved mechanical properties as well as good resistance to IGC. FICAL is a 5 year KPN project that has the objective of establishing a new understanding of the mechanisms of IGC and how to control it, by relating composition, processing and microstructure to corrosion properties. Industrial funding is provided by a substantial consortium of companies who represent the entire value chain from alloy production to component manufacture. Particular attention will be paid to the behaviour of segregating elements at and around grain boundaries (GB) and precipitation (at GB and bulk) and how these affect the electrochemical properties at the nano-scale. The relationship between IGC and Stress Corrosion Cracking (SCC) will also be addressed. Advanced experimental infrastructure such as Transmission Electron Microscopy (TEM) and Focussed Ion Beam (FIB) will be used to provide information about the structure and chemistry of the alloys that has not previously been available. Advanced thermodynamic, ab-initio, molecular dynamic and Monte-Carlo modelling tools will be developed to provide a framework for predicting the IGC behaviour of alloys. The relationship between corrosion and mechanical properties will be addressed, establishing principles for optimising alloy design and performance. The project will interact with international experts. The project will provide a focus for a national and international R&D network. Two PhD students and one Postdoctoral worker will be educated within the project.