Environmentally friendly anodising process for structural bonding of titanium - Umweltfreundliches Eloxierverfahren fuer strukturelles Verkleben von Titan

Abstract

This paper evaluates the applicability of two wet-chemical treatments for structural bonding of titanium alloy Ti6Al4V. The anodising processes, NaTESi and N4-Process, are based on electrolytes containing sodium hydroxide and complexing agents, but while NaTESi process contains ethylenediaminetetraacetic acid, a particularly hazardous chemical, N4-Process is a REACh compliant electrolyte. Scanning electron microscopy and transmission electron microscopy were employed to evaluate the oxide layer formed after the anodising processes. The long-term durability and the resultant adhesion properties on titanium were assessed by means of floating-roller-peel test. Both investigated anodising processes lead to oxide layers revealing a highly porous nanostructure (thickness between 150–600 nm) according to scanning electron microscopy and transmission electron microscopy analyses. The mechanical tests lead to negligible differences between processes, performing higher peel resistance when compared to only alkaline etched samples, especially after 1000 hours ageing at 50 °C and 95 % relative humidity. The results indicate that N4-Process is a promising treatment to enhance the long-term durability of bonded titanium joints, especially under hot and wet conditions. In diesem Artikel wird die Anwendbarkeit von nasschemischen Vorbehandlungen für das strukturelle Kleben von Ti6Al4V Titanlegierungen untersucht. Die untersuchten Anodisierprozesse, NaTESi und N4, basieren auf Elektrolyten mit Natriumhydroxid und Komplexbildner. Während beim NaTESi-Prozess Ethylendiamintetraessigsäure als Komplexbildner eingesetzt wird, kommt beim N4-Prozess ein REACh-konformer Komplexbildner zum Einsatz. Die resultierenden Oberflächen werden mittels Rasterelektronen- und Transmissionselektronenmikroskopie charakterisiert. Neben der Oberflächentopografie werden auch die Haftungseigenschaften der resultierenden Oberfläche geprüft. Hierzu wird der Rollenschältest sowohl im trockenen Zustand als auch nach der Auslagerung im feucht-warmen Klima durchgeführt. Die Charakterisierung der Oberflächentopographie zeigt, dass beide Prozesse zu einer nanostrukturierten und kristallinen Oxidschicht mit einer Dicke zwischen 150 nm und 600 nm führen. Die Ergebnisse der Rollenschältests verdeutlichen, dass beide Prozesse zu vergleichbaren Schälfestigkeiten führen. Im Vergleich zu einer nur alkalisch gebeizten Probe, konnten jedoch deutlich höhere Festigkeiten erzielt werden. Vor allem nach der Alterung der Proben für 1000 h bei 50 °C und 95 % rH, lassen sich deutliche Unterschiede erkennen. Während die nur gebeizten Proben einen deutlichen Abfall in der Schälfestigkeit zeigen, führen die Verfahren NaTESi und N4-Prozess zu einer guten Langzeitstabilität.