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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.85.2021.tde-10032022-151859
Document
Author
Full name
Maurilio Pereira Gomes
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2021
Supervisor
Committee
Costa, Isolda (President)
Mattos, Oscar Rosa
Melo, Hercilio Gomes de
Pébère, Nadine Brigitte
Turmine, Mireille
Vivier, Vincent
Title in English
Investigation on the corrosion mechanisms of pure magnesium and the effect of friction stir welding (FSW) on the corrosion resistance of aluminum alloy 2524-T3
Keywords in English
AA2524-T3
friction stir welding (FSW)
magnesium
negative difference effect (NDE)
Abstract in English
Friction stir welding (FSW) is a process that has proven to be quite efficient when it comes to joining high-strength aluminum alloys, for instance AA2524-T3. This can be justified by the fact that welding aluminum alloys by FSW technique allows (i) reduction of aircraft weight by eliminating the rivets commonly used and (ii) the use of different aluminum alloys that have low specific density and high mechanical strength. However, even though FSW allows the joining of metallic parts without their effective fusion, which theoretically would result in a defect-free weld bead, the heat resulting from the friction of the welding tool causes significant microstructural changes. In consequence, it results in variations of mechanical properties and corrosion resistance in the welded region. It was evaluated the FSW welding process influence on the corrosion resistance of the joined 2524-T3 aluminum alloy. Different tools have been used, such as: optical and scanning electron microscopy; open circuit potential and electrochemical impedance spectroscopy measurements; and corrosion tests: agar-agar test, intergranular corrosion test, and exfoliation corrosion test. It was proven by different techniques that the thermomechanically/thermal affect zone interface on the retreating side was the most susceptible to corrosion among all investigated zones. A parallel study was developed regarding the corrosion mechanism of pure magnesium. It has been the subject of a considerable amount of work, and despite its ubiquity and history, it remains controversial. This is mainly due to the presence of the negative difference effect (NDE), which increases hydrogen formation when the magnesium is biased on the anodic domain. We was performed a detailed analysis of the electrochemical impedance spectra obtained for the Mg electrode during immersion in a sodium sulfate solution. A model was proposed which took into account the presence of: (i) a thin oxide film (MgO) which progressively covered the Mg electrode surface, (ii) film-free areas where the Mg dissolution occurs in two consecutive steps, (iii) a thick layer of corrosion products (Mg(OH)2), (iv) an adsorbed intermediate Mg+ads which is responsible for the chemical reaction allowing the NDE to be explained. From the impedance data analyses, various parameters were extracted such as the thin oxide film thickness, the resistivity at the metal/oxide film interface and at the oxide film/electrolyte interface, the active surface area as a function of the exposure time to the electrolyte, the thickness of the thick Mg(OH)2 layer and the kinetic constants of the electrochemical reactions.
Title in Portuguese
Investigação dos mecanismos de corrosão do magnésio puro e o efeito da soldagem por fricção e mistura (FSW) na resistência à corrosão da liga de alumínio 2524-T3
Keywords in Portuguese
AA2524-T3
efeito da diferença negativa (NDE)
magnésio
soldagem por fricção e mistura (FSW)
Abstract in Portuguese
A soldagem por fricção e mistura (FSW) é um processo que tem se demonstrado bastante eficiente quando o intuito é unir ligas de alumínio de alta resistência, por exemplo AA2524-T3. Isto é justificado pelo fato da soldagem das ligas de alumínio pela técnica FSW permitir (i) a redução do peso das aeronaves por meio da eliminação de rebites usualmente utilizados e (ii) a utilização de diferentes ligas de alumínio que possuem baixa densidade específica e alta resistência mecânica. Porém, mesmo a FSW possibilitando a junção de partes metálicas sem a sua efetiva fusão, teoricamente resultando na obtenção de um cordão de solda isento de defeitos, o calor resultante do atrito da ferramenta de soldagem causa mudanças microestruturais significativas. Isso, por sua vez, resulta em variações nas propriedades mecânicas e de resistência à corrosão na região soldada. Foi avaliada a influência do processo de soldagem FSW na resistência à corrosão da liga de alumínio 2524-T3 soldada. Foram utilizadas diferentes técnicas, tais como: microscopia óptica e eletrônica de varredura; medidas de potencial de circuito aberto e espectroscopia de impedância eletroquímica; e testes de corrosão: ágar-ágar, corrosão intergranular, e corrosão por esfoliação. Foi comprovado por diferentes técnicas que a interface da zona termomecanicamente/termicamente afetada do lado do retrocesso foi a que apresentou maior susceptibilidade à corrosão entre todas as zonas investigadas. Um estudo paralelo foi desenvolvido em relação aos mecanismos de corrosão do magnésio puro. Esse tem sido objeto de uma grande quantidade de estudos e, apesar de sua ubiquidade e histórico, ainda é controverso. Isso se deve principalmente à presença do efeito de diferença negativa (do inglês negative difference effect, NDE), que resulta no aumento da formação de hidrogênio quando o magnésio é polarizado no domínio anódico. Foi realizada uma análise detalhada dos espectros de impedância eletroquímica obtidos para o eletrodo de Mg durante imersão em solução de sulfato de sódio. Foi proposto um modelo que levou em consideração a presença de: (i) um filme fino de óxido de magnésio (MgO) que cobriu progressivamente a superfície do eletrodo de Mg, (ii) áreas livres de filme de óxido onde ocorre a dissolução do Mg em duas etapas consecutivas, (iii) uma camada espessa de produto de corrosão (Mg(OH)2), (iv) um intermediário adsorvido Mg+ads que é responsável pela reação química que permite a explicação do NDE. Das análises dos dados de impedância, vários parâmetros foram extraídos, como a espessura do filme de óxido fino, resistividade na interface metal/óxido e na interface óxido/eletrólito, área de superfície ativa em função do tempo de exposição à solução, espessura da camada espessa de Mg(OH)2 e constantes cinéticas das reações eletroquímicas.
 
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Publishing Date
2022-03-14
 
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