Electrochemical behaviour of Mn-containing Al-alloys after different heat treatment

Abstract

Aluminium brukes ofte i varmevekslere i biler på grunn av lav vekt og god varmeledningsevne. Når varmevekslerne monteres blir de ulike delene loddet sammen. Varme fra denne loddeprosessen aktiverer metallet for anodiske oppløsningsprosesser i vandige løsninger, og påvirker derfor korrosjonsmotstanden. Tidligere arbeid har vist at sporelementer som bly og tinn, som er tilstede i aluminium fra for eksempel resirkulering og råstoffet bauksitt, er ansvarlige for denne aktiveringen.

De elektrokjemiske egenskapene i surt syntetisk sjøvann til syv forskjellige aluminiumslegeringer, hvorav flesteparten tilhører 3xxx-serien med aluminiumslegeringer, ble undersøkt. En legering som inneholdt vesentlig høyere mengder kobber ble også inkludert. Prøvene ble undersøkt både som ekstrudert og som loddet. Overflatemorfologien ble karakterisert i SEM, og sammensetningen til utvalgte områder ble karakterisert med EDS. Overflateanrikning av bly ble funnet med GD-OES etter lodding, som ledet til anodisk aktivering. Sykliske polarisasjonsskanninger ble gjennomført for å undersøke de elektrokjemiske egenskapene til legeringene i et område på -400 mV til +400 mV rundt korrosjonspotensialet. De målte polarisasjonskurvene ble i tillegg brukt til videre utvikling av en maskinlæringsalgoritme for å predikere polarisasjonskurver basert på legeringsinnhold. Prøver av elektrolytten ble tatt ved definerte tidspunkt under polarisasjonsforsøkene og analysert med ICP-MS. For utvalgte prøver ble også korrosjonsmorfologien etter polarisering undersøkt i SEM.

Aluminiumslegeringen som inneholdt kobber ble vesentlig mindre aktivert av varmebehandlingen enn de andre legeringene, med en senkning i korrosjonspotensial på kun 10 mV sammenlignet med den som ekstruderte prøven. Resultatene var inkonklusive når det kom til å bestemme hvorvidt kobber reduserte segregering av bly til overflaten, eller om den reduserte aktiveringen kun var på grunn av foredling av overflaten. Kjemiske dybdeprofiler indikerte redusert segregering, mens analyse av elektrolytten med ICP-MS indikerte uventet høy konsentrasjon av bly. Maskinlæringsalgoritmen var i stand til å predikere polarisasjonskurvene til legeringer som ikke var en del av treningssettet, men videre utvidelse av treningsdataene trengs for at algoritmen skal kunne brukes kommersielt. Tilnærmingen fungerer imidlertid med eksperimentelt lett tilgjengelige mengder data, og kan brukes til å predikere variasjonen i polarisasjonskurver i legeringer med lignende grunnlag men kompleks sammensetning.

Aluminium alloys are frequently used in automotive heat exchangers because of low weight and excellent ability to conduct heat. When the heat exchangers are assembled, they are usually brazed. Heat from the brazing process has been found to activate the aluminium for anodic dissolution processes in aqueous solutions, thus affecting its corrosion resistance. Surface segregation of impurity trace elements like Pb and Sn, present in aluminium alloys, e.g., from recycling and bauxite, are responsible for this activation.

Seven different aluminium alloys, most of which belong to the 3xxx series of aluminium alloys, were studied for their electrochemical properties in acidified synthetic seawater. One alloy containing significantly higher levels of copper was also included. Samples were studied both as-extruded and as-brazed. The surface morphology was characterised by scanning electron microscopy (SEM); elemental composition of selected regions was determined by energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS). Surface enrichment of Pb was found by GD-OES during brazing, leading to electrochemical anodic activation. To study the electrochemical behaviour of the alloys in the two conditions, cyclic polarisation scans were performed in the interval -400 mV to +400 mV around the corrosion potential. The polarisation curves collected were additionally used in further development and testing of a machine learning algorithm for predicting polarisation curves based on the alloy composition. Samples of the electrolyte were taken at defined points during these polarisation scans and analysed with inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). For selected samples, the corrosion morphology after polarisation was also studied by SEM.

The aluminium alloy containing Cu was significantly less activated by heat treatment than the other alloys, with a depression of corrosion potential of only 10 mV compared to the as-received sample. Results were inconclusive in determining if Cu reduced surface segregation of Pb, or if the reduced activation was only due to ennoblement of the aluminium. Chemical depth profiles indicated reduced surface segregation, while electrolyte analysis by ICP-MS indicated higher than expected dissolution of Pb.

The machine learning algorithm was successful in predicting polarisation curves of alloys which were not part of the training data, however further expansion of the training data is needed for a commercial application of the algorithm to be possible. However, the approach works with experimentally easily accessible amounts of training data and can be used to predict the variation of polarisation curves in alloys with similar base but complex composition.