Active corrosion protection of AA2024 by sol-gel coatings with corrosion inhibitors

A indústria aeronáutica utiliza ligas de alumínio de alta resistência para o fabrico dos elementos estruturais dos aviões. As ligas usadas possuem excelentes propriedades mecânicas mas apresentam simultaneamente uma grande tendência para a corrosão. Por esta razão essas ligas necessitam de protecção anticorrosiva eficaz para poderem ser utilizadas com segurança. Até à data, os sistemas anticorrosivos mais eficazes para ligas de alumínio contêm crómio hexavalente na sua composição, sejam pré-tratamentos, camadas de conversão ou pigmentos anticorrosivos. O reconhecimento dos efeitos carcinogénicos do crómio hexavalente levou ao aparecimento de legislação banindo o uso desta forma de crómio pela indústria. Esta decisão trouxe a necessidade de encontrar alternativas ambientalmente inócuas mas igualmente eficazes. O principal objectivo do presente trabalho é o desenvolvimento de prétratamentos anticorrosivos activos para a liga de alumínio 2024, baseados em revestimentos híbridos produzidos pelo método sol-gel. Estes revestimentos deverão possuir boa aderência ao substrato metálico, boas propriedades barreira e capacidade anticorrosiva activa. A protecção activa pode ser alcançada através da incorporação de inibidores anticorrosivos no prétratamento. O objectivo foi atingido através de uma sucessão de etapas. Primeiro investigou-se em detalhe a corrosão localizada (por picada) da liga de alumínio 2024. Os resultados obtidos permitiram uma melhor compreensão da susceptibilidade desta liga a processos de corrosão localizada. Estudaram-se também vários possíveis inibidores de corrosão usando técnicas electroquímicas e microestruturais. Numa segunda etapa desenvolveram-se revestimentos anticorrosivos híbridos orgânico-inorgânico baseados no método sol-gel. Compostos derivados de titania e zirconia foram combinados com siloxanos organofuncionais a fim de obter-se boa aderência entre o revestimento e o substrato metálico assim como boas propriedades barreira. Testes industriais mostraram que estes novos revestimentos são compatíveis com os esquemas de pintura convencionais actualmente em uso. A estabilidade e o prazo de validade das formulações foram optimizados modificando a temperatura de armazenamento e a quantidade de água usada durante a síntese. As formulações sol-gel foram dopadas com os inibidores seleccionados durante a primeira etapa e as propriedades anticorrosivas passivas e activas dos revestimentos obtidos foram estudadas numa terceira etapa do trabalho. Os resultados comprovam a influência dos inibidores nas propriedades anticorrosivas dos revestimentos sol-gel. Em alguns casos a acção activa dos inibidores combinou-se com a protecção passiva dada pelo revestimento mas noutros casos terá ocorrido interacção química entre o inibidor e a matriz de sol-gel, de onde resultou a perda de propriedades protectoras do sistema combinado. Atendendo aos problemas provocados pela adição directa dos inibidores na formulação sol-gel procurou-se, numa quarta etapa, formas alternativas de incorporação. Na primeira, produziu-se uma camada de titania nanoporosa na superfície da liga metálica que serviu de reservatório para os inibidores. O revestimento sol-gel foi aplicado por cima da camada nanoporosa. Os inibidores armazenados nos poros actuam quando o substrato fica exposto ao ambiente agressivo. Numa segunda, os inibidores foram armazenados em nano-reservatórios de sílica ou em nanoargilas (halloysite), os quais foram revestidos por polielectrólitos montados camada a camada. A terceira alternativa consistiu no uso de nano-fios de molibdato de cério amorfo como inibidores anticorrosivos nanoparticulados. Os nano-reservatórios foram incorporados durante a síntese do sol-gel. Qualquer das abordagens permitiu eliminar o efeito negativo do inibidor sobre a estabilidade da matriz do sol-gel. Os revestimentos sol-gel desenvolvidos neste trabalho apresentaram protecção anticorrosiva activa e capacidade de auto-reparação. Os resultados obtidos mostraram o elevado potencial destes revestimentos para a protecção anticorrosiva da liga de alumínio 2024.

Micro/nanoreservoirs for controlled release of active species in smart functional coatings

This work reports one possible way to develop new functional coatings used to increase the life time of metallic structures. The functionalities selected and attributed to model coatings in the frame of this work were corrosion protection, self-sensing and prevention of fouling (antifouling). The way used to confer those functionalities to coatings was based on the encapsulation of active compounds (corrosion inhibitors, pH indicators and biocides) in micro and nanocontainers followed by their incorporation into the coating matrices. To confer active corrosion protection, one corrosion inhibitor (2-mercaptobenzothiazole, MBT) was encapsulated in two different containers, firstly in silica nanocapsules (SiNC) and in polyurea microcapsules (PU-MC). The incorporation of both containers in different models coatings shows a significant improvement in the corrosion protection of aluminum alloy 2024 (AA2024). Following the same approach, SiNC and PU-MC were also used for the encapsulation of phenolphthalein (one well known pH indicator) to introduce sensing properties in polymeric coatings. SiNC and PU-MC containing phenolphthalein acted as corrosion sensor, showing a pink coloration due to the beginning of cathodic reaction, resulting in a pH increase identified by those capsules. Their sensing performance was proved in suspension and when integrated in coatings for aluminium alloy 2024 and magnesium alloy AZ31. In a similar way, the biocide activity (antifouling) was assigned to two polymeric matrices using SiNC for encapsulation of one biocide (Dichloro-2-octyl-2H-isothiazol-3-one, DCOIT) and also SiNC-MBT was tested as biocide. The antifouling activity of those two encapsulated compounds was assessed through inhibition and consequent decrease in the bioluminescence of modified E. coli. That effect was verified in suspension and when incorporated in coatings for AISI 1008 carbon steel. The developed micro and nanocontainers presented the desired performance, allowing the introduction of new functionalities to model coatings, showing potential to be used as functional additives in the next generation of multifunctional coatings.

Fadiga e comportamento tensão-deformação cíclico da liga de alumínio 7050-T7451

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2016.

Estudo de Ferramentas FEA Comerciais na Simulação Numérica de Processos de Conformação de Chapas Metálicas. Aplicação à Indústria Automóvel.

Os componentes obtidos através da conformação plástica de chapas têm uma grande importância, tanto na etapa de concepção do produto como na etapa de produção na indústria automóvel. Isto comprova-se pelo facto de, em média, cada automóvel integrar cerca de 500 componentes estampados para construir o chassis e a carroçaria [Alves 2003]. Deste total de componentes, 50 são de grandes dimensões (portas, tejadilho, painéis inferior e laterais, entre outros) e necessitam, em média, de cinco ferramentas para o seu fabrico, sendo o custo estimado para cada ferramenta de 230 000 € [Col 2000, Alves 2003]. Para além da indústria automóvel, a conformação plástica de chapas metálicas é um processo tecnológico presente nas indústrias relativas à aeroespacial, petrolífera, decoração, alimentar, entre outras. Do ponto de vista do enquadramento económico, cerca de 20% do custo total de um automóvel novo é devido à incorporação de componentes metálicos estampados. [Alves 2003]. A pressão do “Mercado Global” faz com que os custos relativos à matéria-prima, energia e mão-de-obra sejam uma constante em termos de redução do seu impacte no orçamento das empresas fornecedoras destes produtos. É neste contexto que surge a necessidade da realização deste estudo de Benchmark de Softwares, tornando-se bastante importante, quer ao nível da competitividade industrial, quer ao nível da inovação para novos produtos. A análise por elementos finitos desempenha um papel primordial no tryout virtual e otimização das ferramentas e processos de conformação plástica. Os objetivos principais deste estudo de simulação numérica são a identificação e comparação dos resultados obtidos pelo AUTOFORM e pelo PAMSTAMP, para cada uma das variáveis identificadas como as mais influentes na robustez dos processos de estampagem de chapa metálica. Estas variáveis identificadas são: consumo de material (Draw-in) após conformação; forças de conformação; valores de variação de espessura e dos valores de extensão e resultados de Springback. Os resultados obtidos são comparados com os resultados experimentais e, desta forma, avalia-se a capacidade inovadora e a eficácia de cada um dos softwares, obtendo-se assim, uma orientação mais real para o software mais indicado aos objetivos impostos pela indústria automóvel. Para este efeito, a indústria automóvel, como maior impulsionador e motor da investigação na área da simulação numérica aplicada aos processos de estampagem, tem aderido em peso ao Benchmarking. Um exemplo disto, é o que acontece nas conferências Numisheet. O Benchmark #2 da conferência Numisheet 2008 é analisado pormenorizadamente e os resultados numéricos e experimentais são comparados e apresentados. Dois materiais distintos (aço HC260LAD e liga de alumínio AC170), assim como três modelos com geometrias diferentes (com e sem freios) são apresentados neste relatório. Com vista à redução dos ciclos tentativa-erro, tem-se adotado ciclos virtuais ou numéricos e tem-se incrementado a interatividade entre as fases de concepção e projeto, num conceito muito próprio, mas cada vez mais abrangente, denominado “produção virtual”. É nesta filosofia que se insere a simulação numérica dos processos de conformação de chapa.

Évaluation de la toxicité du béryllium en fonction de la forme chimique et de la taille des particules

Le béryllium (Be) est un métal dont les propriétés physiques et mécaniques sont très recherchées, notamment dans les secteurs spatial, énergétique et électronique. Les principaux effets associés à l’exposition au Be sont la sensibilisation et la bérylliose chronique. La prévalence des effets associés au Be suggère que les risques sont, entre autres, fonction de sa spéciation. Par ailleurs, il semble que les particules fines constituent la fraction d’intérêt pour l’occurrence de tels effets. Dans cette étude nous avons vérifié l’hypothèse que la forme chimique et la taille des particules du Be jouent un rôle majeur au niveau de la toxicité et de l’apparition d’effets spécifiques à une exposition au Be. Les effets spécifiques se traduisent, entre autres, par la formation de granulomes inflammatoires pulmonaire, par la prolifération de lymphocytes TCD4+ et la production de cytokines de type Th1. Pour chacune des trois formes chimiques visées par la présente étude (le Be métallique ou Be, l’oxyde de Be ou BeO et l’alliage Be aluminium ou BeAl), la toxicité a été évaluée à la suite d’une exposition subchronique par inhalation oro-nasale à des particules fines (F) et totales (T). À cette fin, un modèle animal (souris) a été utilisé. Au total, 245 souris ont été utilisées. Elles ont été subdivisées en sept groupes de 35 souris. Un groupe a servi de contrôle, alors que chacun des six autres a été exposé soit à des particules fines soit à des particules totales, pour chacune des trois formes chimiques de Be (Be-F, Be-T, BeO-F, BeO-T, BeAl-F, BeAl-T). La durée d’exposition pour chacun des groupes s’est étendue sur 3 semaines, 5 jours par semaine, 6 heures par jour. Le niveau d’exposition des souris était de 250 µg/m3. L‘urine des souris a été recueillie avant et durant l’exposition. Au moment du sacrifice, plusieurs tissus (poumon, rate, foie et reins) ainsi que des échantillons de sang ont été prélevés puis immédiatement congelés jusqu’à leur analyse pour la détermination de leur teneur en Be. De plus, certains poumons et rates ont été analysés pour l’évaluation de la sensibilité immunologique et de l'inflammation pulmonaire. Cette étude d’exposition subchronique est la première étude murine qui étudie les effets toxiques de différentes tailles particulaires sur les changements pathologique et immunologique similaires à ceux observés chez l’humain. Cette étude a permis de constater qu’il existait des différences importantes au niveau de la toxicité du Be d’après les différentes tailles particulaires à l’étude. Ces différences seraient reliées au dépôt des particules de Be dans les voies respiratoires et également à la capacité des voies respiratoires à les éliminer totalement ou partiellement. La clairance respiratoire est fonction, notamment, du site de déposition et du caractère soluble ou non des particules. Cette recherche aura également permis de démontrer que les souris C3H/HeJ représentent un bon modèle pour l’étude des effets toxicologiques et immunologiques d’une exposition au Be. De plus, nos résultats démontrent que la sévérité des lésions pulmonaires causées par le Be, tel que l’infiltration interstitielle de lymphocytes et la formation de granulomes non-caséeux, augmente avec le temps de résidence pulmonaire des particules de Be. Combinés à d’autres résultats, nos résultats contribueront à guider les actions de prévention relativement à l’exposition au Be, incluant éventuellement la révision de la valeur limite de l’exposition et possiblement l’établissement de valeurs limites en fonction de la forme chimique et de la taille des particules.

O forjamento de ligas de alumínio : um estudo para a liga ABNT 6061

Este trabalho pretende, na visão de novas tecnologias, discutir o processo de forjamento das ligas de alumínio (ABNT 6061), buscando propor uma metodologia baseada na ciência da engenharia. Deseja-se minimizar os procedimentos de tentativa e erro no desenvolvimento de processos de conformação. Para tanto, novas tecnologias disponíveis atualmente, tais como o Projeto Assistido por Computador (CAD), a Fabricação Assistida por Computador (CAM) e a Simulação do Processo (CAE) são empregadas. Resultados experimentais mostrando o comportamento da liga ABNT 6061 através das curvas de escoamento bem como o estabelecimento da condição do atrito no processo de conformação, avaliando dois lubrificantes comerciais disponíveis (Deltaforge 31 e Oildag) para aplicações nas ligas de alumínio, são reportados neste trabalho. A comparação dos resultados obtidos de um experimento prático de forjamento com a simulação pelo “Método dos Elementos Finitos” usando o código “QForm” é apresentada para uma peça de simetria axial em liga de alumínio. Finalmente, os resultados obtidos no forjamento de um componente automotivo em liga de alumínio (ABNT 6061), desenvolvido em parceria com a empresa Dana, são analisados e comparados com as simulações computacionais realizadas usando o código “Superforge”.

Aplicação de técnicas eletroquímicas na determinação do potencial de corrosividade de ligas de alumínio em água produzida

The resistance of aluminum and their alloys, to the corrosion phenomenon, in aqueous solutions, is a result of the oxide layer formed. However, the corrosion process in the aluminum alloy is associated with the presence a second phase of particles or the presence of chloride ions which promote the disruption of the oxide layer located producing the corrosion process. On the other hand, the term water produced is used to describe the water after the separation of the oil and gas in API separators. The volumes of produced water arrive around 5 more times to the volume of oil produced. The greatest feature of the water is the presence of numerous pollutants. Due to the increased volume of waste around the world in the current decade, the outcome and the effect of the discharge of produced water on the environment has recently become an important issue of environmental concern where numerous treatments are aimed at reducing these contaminants before disposal. Then, this study aims to investigate the electrochemical corrosion behavior of aluminum alloy 6060 in presence of water produced and the influence of organic components as well as chloride ions, by using the electrochemical techniques of linear polarization. The modification of the passive layer and the likely breakpoints were observed by atomic force microscopy (AFM). In the pit formation potential around -0.4 to -0.8 V/EAg/AgCl was observed that the diffusion of chloride ions occurs via the layer formed with the probable formation of pits. Whereas, at temperatures above 65 °C, it was observed that the range of potential for thepit formation was -0.4 to -0.5 V/EAg/AgCl. In all reactions, the concentration of Al(OH)3 in the form of a gel was observed

Fractography analysis and fatigue strength of carbon fiber/RTM6 laminates

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Effect of cerium on structure modifications of a hybrid sol-gel coating, its mechanical properties and anti-corrosion behavior

An organic-inorganic hybrid coating was developed to improve the corrosion resistance of the aluminum alloy AA 2024-T3. Organic and inorganic coatings derived from glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) and aluminum tri-sec-butoxide Al((OBu)-Bu-s)(3), with different cerium contents, were deposited onto aluminum by dip-coating process. Corrosion resistance and mechanical properties were investigated by electrochemical impedance measurements and nano-indentation respectively. An optimal cerium concentration of 0.01 M was evidenced. To correlate and explain the hybrid coating performances in relation to the cerium content, NMR experiments were performed. It has been shown that when the cerium concentration in the hybrid is higher than 0.01 M there are important modifications in the hybrid structure that account for the mechanical properties and anti-corrosion behavior of the sol-gel coating. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Influence of HVOF parameters on the corrosion and wear resistance of WC-Co coatings sprayed on AA7050 T7

Thermal spray WC-based coatings are widely used in the aircraft industry mainly for their resistance to wear, reworking and rebuilding operations and repair of worn components on landing gear, hydraulic cylinders, actuators, propeller hub assemblies, gas turbine engines, and so on. The aircraft industry is also trying to use thermal spray technology to replace electroplating coatings such as hard chromium. In the present work, WC-Co coatings were built up on an AA 7050 aluminum alloy using high velocity oxygen fuel (HVOF) technology and a liquid nitrogen cooling prototype system. The influence of the spray parameters (standard conditions, W19S, increasing the oxygen flux, W19H, and also increasing the carrier gas flux, W19F) on corrosion, friction, and abrasive wear resistance were also studied. The coatings were characterized using optical (OM) and scanning electron (SEM) microscopy, and X-ray diffraction (XRD). The friction and abrasive wear resistance of the coatings were studied using Rubber Wheel and Ball on Disk tests. The electrochemical studies were conducted using open-circuit potential (E(oc)) measurements and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Differences among coated samples were mainly related to the variation of the thermal spray parameters used during the spray process. No significant differences were observed in the wear resistance for the coatings studied, and all of them showed a wear rate around 10 times lower than that of the aluminum alloy. The results of mass loss and wear rate were interpreted considering different mechanisms. Comparing the different spray parameters, the oxygen flux (higher flame temperature) produced the sample which showed the highest corrosion resistance in aerated and unstirred 3.5% NaCl solution. Aluminum ions were detected on the surface almost immediately after the immersion of samples W19S and W19F in chloride solution, showing that the electrolyte reached the substrate and galvanic corrosion probably occurred. For sample W19H, aluminum ions were not detected even after 120 min of immersion in NaCl solution. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Corrosion and Wear Studies of Cr3C2NiCr-HVOF Coatings Sprayed on AA7050 T7 Under Cooling

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Evaluation of hygrothermal effects on the shear properties of Carall composites

Fiber metal laminates are the frontline materials for aeronautical and space structures. These composites consists of layers of 2024-T3-aluminum alloy and composite prepreg layers. When the composite layer is a carbon fiber prepreg, the fiber metal laminate, named Carall, offers significant improvements over current available materials for aircraft structures. While weight reduction and improved damage tolerance characteristics were the prime drivers to develop this new family of materials, it turns out that they have additional benefits, which become more and more important for today's designers, such as cost reduction and improved safety. The degradation of composites is due to environmental effects mainly on the chemical and/or physical properties of the polymer matrix leading to loss of adhesion of fiber/resin interface. Also, the reduction of fiber strength and stiffness are expected due to environmental degradation. Changes in interface/interphase properties leads to more pronounced changes in shear properties than any other mechanical properties. In this work, the influence of moisture in shear properties of carbon fiber/epoxy composites and Carall have been investigated by using interlaminar shear (ILSS) and Iosipescu tests. It was observed that hygrothermal conditioning reduces the Iosipescu shear strength of CF/E and Carall composites due to the moisture absorption in these materials. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

A load cell for grain-propelled ballistic rocket thrust measurement

A 1000-kgf resistive strain-gauge load cell has been developed for quality testing of rocket propellant grain. A 7075-T6 aluminum alloy has been used for the elastic column, in which 8 uniaxial, 120-Ω strain gauges have been bonded and connected to form a full Wheatstone bridge to detect the strain. The chosen geometry makes the transducer insensitive to moments and, also, to the temperature. Experimental tests using a universal testing machine to imposed compression force to the load cell have demonstrated that its behavior is linear, with sensitivity of 2.90 μV/kgf ± 0.34%, and negligible hysteresis. The designed force transducer response to a dynamic test has been comparable to that of a commercial load cell. © 2005 IEEE.

Monitoring in precision metal drilling process using multi-sensors and neural network

This paper presents a new method to estimate hole diameters and surface roughness in precision drilling processes, using coupons taken from a sandwich plate composed of a titanium alloy plate (Ti6Al4V) glued onto an aluminum alloy plate (AA 2024T3). The proposed method uses signals acquired during the cutting process by a multisensor system installed on the machine tool. These signals are mathematically treated and then used as input for an artificial neural network. After training, the neural network system is qualified to estimate the surface roughness and hole diameter based on the signals and cutting process parameters. To evaluate the system, the estimated data were compared with experimental measurements and the errors were calculated. The results proved the efficiency of the proposed method, which yielded very low or even negligible errors of the tolerances used in most industrial drilling processes. This pioneering method opens up a new field of research, showing a promising potential for development and application as an alternative monitoring method for drilling processes. © 2012 Springer-Verlag London Limited.

Estimação do diâmetro e rugosidade em um processo de furação utilizando multi sensores e redes neurais artificiais

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)