Layered double hydroxide (LDH)-based conversion films for the corrosion protection of aluminum alloys for aerospace applications

Abstract

Aluminum and its alloys are widely used as constructional materials in the aerospace sector. Since aircrafts are often exposed to hostile environments and their alloying additions usually make aluminum alloys more susceptible to corrosion, several strategies have been applied to protect these materials against corrosion-caused degradation. The most common measure for prevention of corrosion in aluminum alloys 2024-T3 is based on the application of three-layered paint schemes, which include chromium(VI)-based pretreatments. Cr(VI)-based conversion films have been widely used to promote the adhesion of subsequent organic layers and confer active protection to the underlying substrate. Despite being the most efficient inhibitors for AA2024-T3, chromates are considered environmentally unsafe and can also affect human health. For this reason, the use of such compounds has been restricted under EU legislation. The need to replace hazardous chromate conversion coatings has prompted intense research toward the development of “greener”, equally efficient technologies. Layered double hydroxide (LDH)-based conversion coatings have been found amidst the most promising alternatives. Their low-toxicity, biocompatibility and low-cost preparation make them potential substitutes for Cr(VI)-based pretreatments. Besides, these dual-function anion-exchanger structures can be used both for releasing anionic corrosion inhibitors and entrapping aggressive anionic species, such as chlorides. However, in order for these systems to meet the performance and reliability specifications required by the aerospace industry, some aspects still require further improvement. In addition to cost effectiveness and low environmental reactivity, it is important to ensure that LDH films exhibit a uniform coverage, proper adhesion to the substrate and good anti-corrosion performance. The industrial implementation of LDH layers as pretreatments for aluminum alloys entails the optimization of the conditions involved in their preparation, which requires the analysis and comparison of different synthesis routes. The present work aimed at developing Zn/Al LDH-based conversion films on AA2024-T3 substrates, with active protection functionality and enhanced adhesion and coverage characteristics. Two synthesis methodologies were employed, namely the hydrothermal growth and the electrochemical deposition, in order to optimize the involved parameters and compare the quality of the obtained conversion films in terms of their coverage, adhesion to the substrate and anti-corrosion performance through appropriate characterization techniques

As ligas de alumínio são materiais amplamente utilizados para fabrico de elementos estruturais no setor aeroespacial. Dada a constante exposição das aeronaves a ambientes hostis e a suscetibilidade das ligas de alumínio à corrosão, várias estratégias têm sido implementadas de forma a proteger estes materiais da degradação causada por fenómenos corrosivos. A medida mais comum de prevenção da corrosão em ligas de alumínio 2024-T3 consiste na aplicação de um esquema de pintura multicamada, que inclui um pré-tratamento com crómio(VI) na sua composição. Os filmes de conversão à base de crómio hexavalente têm sido bastante utilizados para promover a adesão de camadas orgânicas posteriores e conferir proteção ativa ao substrato subjacente. Apesar de serem reconhecidos como os inibidores mais eficientes para as ligas de alumínio 2024, os cromatos não são considerados seguros do ponto de vista ambiental e saúde humana. Por essa razão, a sua utilização foi rigorosamente restringida na União Europeia. A necessidade de substituir os filmes de conversão baseados nestes compostos perigosos promoveu um intenso trabalho de investigação com o objetivo de desenvolver tecnologias mais ecológicas, que igualem os revestimentos à base de Cr(VI) em termos de eficácia. Os filmes de conversão baseados em hidróxidos duplos lamelares (HDLs) encontram-se entre as alternativas mais promissoras. A sua toxicidade reduzida, biocompatibilidade e preparação económica tornam-nos potenciais substitutos dos pré-tratamentos com cromatos. Além disso, estas estruturas com capacidade de permuta aniónica podem ser utilizadas não só para libertar de forma controlada inibidores de corrosão, como também para capturar espécies aniónicas agressivas, como por exemplo iões cloreto. No entanto, para que estes sistemas possam ser implementados na indústria aeroespacial, alguns aspetos carecem de melhoria. Além da relação custo-eficácia e reduzido impacto ambiental, os filmes de LDHs devem apresentar uma cobertura uniforme do substrato, uma adesão adequada ao mesmo e propriedades inibidoras de corrosão. A implementação de camadas de HDLs como pré-tratamentos para ligas de alumínio implica a otimização das condições envolvidas na sua preparação, o que requere a análise e comparação de diferentes métodos de síntese. O principal objetivo deste trabalho consistiu no desenvolvimento de filmes de conversão baseados em Zn/Al-HDLs em ligas de alumínio 2024-T3, com funcionalidade de proteção ativa e propriedades de adesão e cobertura melhoradas. Duas metodologias foram utilizadas para a sua síntese, nomeadamente o crescimento hidrotermal e a deposição eletroquímica, de forma a otimizar os parâmetros envolvidos e comparar a qualidade dos filmes obtidos em termos de cobertura, adesão ao substrato e propriedades anti corrosão através de técnicas de caracterização apropriadas