Lokalisierte plasmaelektrolytische Oxidation von Aluminium durch Fokussierung der Entladungsverteilung im Freistrahlverfahren Jet-PEO

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Lampke; Professor Dr.-Ing. Andreas Schubert
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 535110274

Die plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) ist ein Verfahren zur Erzeugung von oxidischen Konversionsschichten, die sich u. a. hervorragend als Korrosionsbarriere und zur Adhäsionsförderung im Interface von Metall-Kunststoff-Verbunden eignen. Industriell wird die PEO bislang ausschließlich im Elektrolytbad durchgeführt. Angesichts der hohen Prozessspannungen von etwa 500 V und Stromdichten von etwa 30 A/dm² für die PEO von Al-Legierungen in ungiftigen, fluoridfreien Elektrolyten ist eine Energieeinsparung durch Begrenzung des PEO-Prozesses auf ausgewählte Funktionsflächen (z. B. Fügeflächen) sinnvoll. Dies gelingt nach aktuellem Stand der Technik ausschließlich durch Maskieren, wobei die Abdeckung extrem festhaftend, stark elektrisch isolierend sowie chemisch und thermisch äußerst beständig sein muss und dementsprechend aufwendig aufzubringen und zu entfernen ist. Die PEO mittels geschlossenem elektrolytischen Freistrahl (Jet-PEO) stellt eine vielversprechende Möglichkeit zur maskierungsfreien, lokal begrenzten Erzeugung von PEO-Schichten dar. Bauteile, die bislang im Badprozess nicht handhabbar sind, können dadurch lokal begrenzt oder großflächig durch kontrollierte Bewegung eines Elektrolytstrahls gezielt mit PEO-Schichten versehen werden, deren Eigenschaften im Unterschied zum Badprozess lokal einstellbar sind. Die Machbarkeit der Jet-PEO wurde bereits in Vorarbeiten mit fluoridfreien Elektrolyten nachgewiesen. Die gezielte Herstellung adhäsionsfördernder PEO-Schichten mit geringer Schichtdicke und einem ausgeprägten hinterschnittreichen, äußeren Schichtbereich ist jedoch derzeit nicht möglich. Deshalb zielt das vorliegende Projekt auf die wissenschaftliche Durchdringung der Prozess-Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen bei der Jet-PEO ab. Zunächst werden die notwendigen Grundlagen für einen stabilen Jet-PEO-Prozess mit möglichst geringer Zündspannung und hoher Schichtbildungsrate durch gezieltes Elektrolytdesign mittels elektrochemischen Polarisations- und Zündversuchen geschaffen. Basierend auf den Zusammenhängen zwischen elektrischen Parametern, Entladungscharakteristik und Mikrostruktur sowie Morphologie der PEO-Schichten aus einem instrumentierten Badprozess wird ein FEM-Simulationsmodell entwickelt. Validierung und Kalibrierung des Simulationsmodells hinsichtlich der zeit- und ortaufgelösten Entwicklung von Schichtmikrostruktur und -morphologie erfolgen anhand eines Versuchsaufbaus mit drahtförmiger Gegenelektrode. Multiphysikalische FEM-Simulationen finden für die Gestaltung des freistrahlgeführten Prozesses hinsichtlich Strömungsmechanik, Strahlgeometrie und elektrischer Prozessführung Anwendung. Mit dem Jet-PEO-Prozess werden schließlich punkt- und linienförmige Oxidstrukturen auf Substratoberflächen realisiert. Die Charakterisierung der Oxidstrukturen erfolgt insbesondere durch elektrochemische Prüfung der Mediendichtheit mittels Mikrokapillartechnik sowie durch die Bewertung der Oberflächentopographie anhand fraktaler Algorithmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen