Moderne Leichtbaustrukturen beruhen auf Materialkombinationen, vorwiegend aus Aluminium, kohlenstoff- oder glasfaserverstärkten Kunststoffen, Titan und Magnesium. Aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Oberflächenpotenziale (elektrische Spannungsreihe) sind Materialverbünde zwischen Metallen und CFK anfällig für Kontaktkorrosionsvorgänge.

Hochfeste Aluminiumlegierungen bilden die für Aluminium typische schützende Oxidschicht nämlich nur sehr eingeschränkt aus. In Materialverbünden aus Aluminium/CFK führen die unterschiedlichen Oberflächenpotenziale von Aluminium und dem Kohlenstoff der Faser zu starker Kontaktkorrosion des Aluminiums und damit zur Zerstörung der Haftung des Verbundes. Mit ungeschützten, nicht vorbehandelten Aluminiumeinlegern gelingt ein haltbarer Haftungsverbund zum CFK nicht. Der Aluminiumeinleger ist nach wenigen Wochen vollständig korrodiert[1].

Korrosionsschutz Aluminium

Reines Aluminium ist mit einer dünnen, durch den Luftsauerstoff gebildeten inerten Oxidschicht (Al2O3) ver-sehen, und hat daher einen höheren Widerstand gegen Korrosion als zum Beispiel Stahl[1]. Jedoch sind bestimmte Umgebungs- und Umwelteinflüsse zu aggressiv für die natürliche Oxidschicht, sodass zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich sind[1]. Verschiedene Arten der Oberflächenbehandlung können dafür genutzt werden:

  • Elektrolytische Umwandlung,
  • Chemische Umwandlung,
  • Vakuum- und plasmatechnische Beschichtungsverfahren (PVD, CVD, PECVD),
  • Siliziumorganische Beschichtungen, wie zum Beispiel gut haftende dichte Sol-Gel-Schichten,
  • Zusätzliches Lackieren, meist nur für dekorative Anforderungen.

Bei hochfesten Aluminiumlegierungen, wie sie beispielsweise im Flugzeugbau eingesetzt werden, sind diese aber bedingt durch die Legierung nicht anwendbar. Das Ziel von Oberflächenbehandlungen ist, die existierende Aluminiumoberfläche mit einer beständigeren Deckschicht zu versehen, sodass das darunter liegende Metall vor den korrosiven Bestandteilen der Umgebung abgeschirmt und geschützt wird.

Anorganische Korrosionsschutzverfahren für Metalle sind Lackierungen auf organischer Basis beziehungsweise Sol-Gel-Verfahren weit überlegen. Somit stellt der organische Korrosionsschutz keine Alternative für die Anwendung dar[1]. Keine der bekannten Technologien zum Korrosionsschutz kann ohne gravierende Nachteile auf Aluminium/CFK-Hybride angewendet werden. Daher wurde meist auf die direkte Materialverbindung zwischen Aluminium und CFK verzichtet und stattdessen oftmals kostspielige Verbindungselemente aus Titan und Barriere-Elemente aus Glas eingesetzt.

Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD)

Plasmaverfahren eignen sich dazu, Oberflächen verschiedener Materialien mit dünnen Funktionsschichten zu beschichten, um deren Eigenschaften zu verändern. Beim PECVD-Verfahren werden Precusoren gasförmig zusammen mit Arbeitsgasen bei einem Druck von etwa 1 mbar in die Plasmakammer eingedüst. Das Plasma spaltet die Precusoren und die Arbeitsgase in Radikale und Ionen auf, die sich dann reaktiv auf der Substratoberfläche als Schicht abscheiden. Für die Korrosionsschutzschicht wird Silikonöl (Hexa-Methyl-Disiloxan) gasförmig in die Kammer geleitet. Das Öl reagiert mit dem Arbeitsgas Sauerstoff im Plasma zu Glas, Wasser und Kohlendioxid, wobei sich vorwiegend auf der Substratoberfläche das Glas reaktiv bildet.

(CH3)3Si-O-Si(CH3)3 (g) + n O2 (g) + Plasma
–> x SiO2 (s) + y H2O (g) + z CO2 (g)

Am ICT werden zur Erzeugung des Plasmas Mikrowellen verwendet, da sich so erzeugte Plasmen durch eine sehr hohe Elektronendichte und damit eine hohe Reaktivität auszeichnen[2]. So wurde eine sehr dichte, glasartige Beschichtung auf der Oberfläche hochfester Aluminiumbleche abgeschieden. Umfangreiche Gitterschnitttests belegten die sehr gute Adhäsion zum Substrat[2]. Diese Bleche wurden der Korrosionsschutzprüfung unterzogen.

Korrosionsschutzprüfung

Aus den beschichteten sowie unbeschichteten Aluminiumblechen wurden Labormuster (10 cm x 10 cm) CFK-Aluminium-Hybride hergestellt und einem Salzsprühnebeltest nach DIN EN 60052-2-52, Schärfegrad I in vier Zyklen unterzogen. Ein Zyklus besteht aus zwei Stunden besprühen der Proben mit einer 5-%-Natriumchloridlösung mit einem pH-Wert von 6,5 bis 7,2 bei einer Temperatur von 35 °C, gefolgt von einer anschließenden Lagerung der Proben über einen Zeitraum von über 166 h in einem korrosionsfördernden Klima bei 40 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 93 Prozent. Das ungeschützte Aluminium korrodiert, wodurch die Haftung des Aluminiums zum CFK zerstört wird. Demgegenüber verhindert die Korrosionsschutzschicht eine Korrosion des geschützten Aluminiums. Die Haftung zwischen Aluminium und CFK bleibt bestehen.

Abschließend wurden Tests zur Umformbarkeit der Schicht durchgeführt. Hierzu wurde auf Aluminiumprobekörper mit einer Länge von 100 mm, einer Breite von 40 mm und einer Dicke von 0,8 mm eine PECVD-Schicht von 2,1 µm aufgebracht. Im Anschluss an die Beschichtung wurden die Probekörper mit einem Radius von 15 mm gebogen. Mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) wurde dann die aufgebrachte Schicht am äußeren Biegeradius hinsichtlich einer möglichen Rissbildung untersucht. Die Aufnahmen zeigen, dass an der Biegestelle sowohl Bereiche zu sehen sind, an denen eine Rissbildung in der Korrosionsschutzschicht stattgefunden hat, als auch Bereiche, in denen die Schutzschicht noch intakt ist.

Im Anschluss an das Biegen der Proben und die REM-Untersuchungen wurden diese in einem Säurebad auf ihre Korrosionsschutzwirkung geprüft. Hierzu wurden die Proben für 15 min in eine 10- bis 15-%ige-Salzsäurelösung getaucht. Nachfolgende optische Begutachtung lässt vermuten, dass sich die beschichteten Bereiche inert gegenüber der Säureeinwirkung zeigen. Dabei ist auffällig, dass auch die gebogenen Bereiche vor Korrosion geschützt sind, obwohl die Schutzschicht dort in Teilbereichen Risse aufweist. Es gilt, dies in weiteren Forschungsarbeiten zu klären.

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Über den Autor

Dr. Rudolf Emmerich leitet die Fachgruppe Mikrowellen und Plasma am Fraunhofer Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal. rudolf.emmerich@ict.fraunhofer.de Ralf Dreher ist technischer Mitarbeiter im Bereich Plasma am Fraunhofer ICT. ralf.dreher@i