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November 16, 2023
Master Thesis
Title
Local corrosion protection on welded aluminium aerospace alloys
Abstract
For next generation lightweight metallic fuselages and employment of liquid hydrogen tanks for hydrogenpowered aircraft, welding processes are becoming increasingly relevant in aviation. However, the surfaceprotection of large welded assemblies with typical immersion bath processes presents a challenge. Hence, welding of prior bath surface-treated panels and local re-application of the surface protection scheme is a more attractive approach. Therefore, this thesis covers the interrelation between the relevant weldingprocesses, their corrosion properties and the local surface treatment for corrosion protection of the weldseams. In the firs part of this thesis, the impact of three different welding processes, namely friction stirwelding (FSW), laser beam welding (LBW) and tungsten inert gas welding (TIG), on the microstructureand corrosion properties of the aluminium aerospace alloys EN AW-2219-T81 and EN AW-2024-T351 isstudied by means of optical- and scanning electron microscopy, as well as by droplet corrosion testing.In the second part, the chromate-free surface treatments local anodising and local conversion coating incombination with pretreatments abrading, vacuumblasting and acidic pickling, applied on the welded buttjoints, are assessed regarding their generated surface structure and properties with regard to corrosionprotection performance. Characterisation of the structure and composition of the surface treatments isdone by means of scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX),while the performance of the surface treatments are examined by means of salt spray-, filiorm and paintadhesion testing. The results show, that the most pronounced change of corrosion mechanism and microstructure in the heat affected zone (HAZ) is caused by TIG welding, followed by FSW and lastly byLBW. It is found, that the overaging and grain boundary agglomeration present in the HAZ of TIG andFSW processes are critical with regard to filiorm corrosion sensitisation. As the LBW process presentssolely precipitation dissolution effects in the HAZ, no pronounced overaging is evident and thus, less sen-sitisation to corrosion is present in its HAZ. However, the LBW weld seam appears to be more sensitised to filiform corrosion, compared to TIG and FSW. With regard to the local corrosion protection treatments, itis generally found, that local anodising provides overall better corrosion performance in painted condition compared to local conversion coating. A dominant influence of the pretreatments prior to anodising and conversion coating is found, where especially vacuumblasting showed significant improved corrosion protection in painted and bare corrosion testing, compared to abrading and acidic pickling pretreatment. Of all tested configuations, the friction stir- and laser beam welded, vacuumblasted and local anodised samples were able to meet the filiform corrosion requirements.
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Für die nächste Generation von Leichtbau-Metallrümpfen und die zukünftige Anwendung von Flüssigwasserstofftanks für wasserstoffbetriebene Flugzeuge gewinnen Schweißverfahren in der Luftfahrt zunehmend an Bedeutung. Allerdings stellt der Oberflächenschut großer geschweißter Baugruppen mitden klassischen Tauchbadverfahren eine Herausforderung dar. Daher ist das Verschweißen von zuvorim klassischen Badprozess oberflächenbehandelen Panels und das spätere Aufbringen eines lokalen Oberflächenschutzschema auf der Schweißnaht ein attraktiverer Ansatz. Diese Arbeit befasst sich daher mit dem Zusammenhang zwischen den relevanten Schweißverfahren, deren Korrosionseigenschaftenund der lokalen Oberflächenbehandlung zum Korrosionsschutz der Schweißnähte. Im ersten Teil dieser Arbeit wird der Einfluss der drei verschiedenen Schweißverfahren Rührreibschweißen (FSW), Laserstrahlschweißen (LBW) und Wolfram-Inertgasschweißen (WIG), auf die Mikrostruktur und Korrosionseigenschaften der Aluminium-Luftfahrtlegierungen EN AW-2219-T81 und EN AW-2024-T351 mittels optischer und Rasterelektronenmikroskopie sowie mittels Tröpfchen-Korrosionstest untersucht. Im zweitenTeil werden die chromatfreien Oberflächenbehandlunge lokales Anodisieren und die lokale Konversionsbeschichtung in Kombination mit den Vorbehandlungen Schleifen, Vakuumstrahlen und saurem Beizen,hinsichtlich ihrer erzeugten Oberflächenstuktur und Korrosionsschutzeigenschaften auf den geschweißten Stoßverbindungen untersucht. Für die Charakterisierung der Struktur und Zusammensetzung der angewendeten Oberflächenbehandlunge werden die Raserelektronenmikroskopie (REM) und energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) angewendet, während die Performance der erzeugten Oberflächemittels Filiformkorrosions-, Salzsprüh- und Lackhaftungstest untersucht wird. Die Ergebnisse zeigen, dassdie stärkste Veränderung des Korrosionsmechanismus und der Mikrostruktur in der Wärmeeinflussone(WEZ) durch WIG-Schweißen verursacht wird, gefolgt von FSW und zuletzt von LBW. Es konnte festgestellt werden, dass die in der WEZ von WIG- und FSW-Prozessen vorhandene Überalterung und Korngrenzenagglomeration eine kritische Sensibilisierung im Hinblick auf die Filiformkorrosion darstellen. Dabeim LBW-Prozess ausschließlich Ausscheidungsauflösun in der WEZ vorliegen, sind keine ausgeprägten Überalterungseffekte vorzufinde die die WEZ gegenüber Korrosionsangriffen sensibilisieren. Allerdings scheint die LBW-Schweißnaht im Vergleich zu WIG und FSW anfälliger für Korrosion zu sein. Im Hinblick auf die lokalen Oberflächenbehandlunge lässt sich allgemein festhalten, dass lokales Anodisieren eine insgesamt höhere Korrosionsschutzperformance im lackierten Zustand bietet als die lokale Konversionsbeschichtung. Ein dominanter Einfluss kann der Vorbehandlung vor dem Anodisieren und der Konversionsbeschichtung zugeschrieben werden, wobei insbesondere das Vakuumstrahlen im Vergleichzur Vorbehandlung durch Schleifen und saures Beizen einen deutlich verbesserten Korrosionsschutz im blanken und lackierten Zustand zeigte. Von allen getesteten Konfiguationen konnten die reibrühr- und la-serstrahlgeschweißten Proben in Kombination mit Vakuumstrahlvorbehandlung und lokalem Anodisierendie Anforderungen an die Filiformkorrosion erfüllen.
Thesis Note
Bremen, Univ., Master Thesis, 2023