Industrial Alloys Studied by Surface Sensitive Techniques

Abstract

This thesis reports on surface studies of industrial materials whose importance for society manifests in the vast range of applications. In industrial materials alloying is performed in order to improve the parent material's physical and mechanical properties such as strength, corrosion and wear resistance, as well as high temperature performance in comparison to the pure metal.

Even though metals like copper, tin, and zinc have been alloyed since approximately 2500 BCE, current research projects still try to unravel the complex interactions between the single alloying elements on an atomic scale. This thesis focuses on two groups of metallic alloys: aluminum alloys and steels.

For both alloy groups, the properties of their protective surface oxides are of major importance as they determine the material's performance with respect to corrosion, erosion, wear, joining, and coating. Therefore, a surface science approach was employed to study the chemical composition, thickness and distribution of phases and particles at the oxide surfaces. Contemporary research in this area is characterized by attempts to bridge the gap between classical model systems in highly controlled environments and industrial complex alloys in experimental conditions mimicking their working environment.

Here, the material gap is bridged by transitioning from single crystals to industrial alloy standards, see Papers I and IV. Custom made composite aluminum alloys made for brazing applications, Papers II and III, and multiphase steel, Paper V, are investigated in this thesis. Simultaneously to the material gap, the pressure gap is addressed by exposing the materials to more realistic conditions using ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy, see Papers III and IV. This technique allows for measurements while the sample is exposed to different gases up to the lower mbar regime. By comparing X-ray photoelectron spectroscopy with standard UHV measurements major differences in the resulting surface oxide composition are observed. The thickness of the native oxide films of the different samples is determined by X-ray reflectivity measurements performed at different experimental conditions ranging from UHV to air and water environments, Papers I and IV. X-ray photoelectron emission microscopy and low-energy electron microscopy was used to follow the surface development during heating of aluminum and steel samples on a sub-micron length scale, Papers II, IV, and V. The microscopic imaging allows for the identification of the chemical state of the alloying elements and their lateral distribution in the surface layer.

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning/Populärwissenschaftliche Zusammenfassung (först på svenska/Schwedisch och därefter på tyska/Deutsch)

Nästan alla metalliska material som används idag är legeringar. Detta beror på att legeringen har förbättrade fysiska egenskaper som hållfasthet, slitstyrka och korrosionsbeständighet och dessutom bättre prestanda vid höga temperaturer jämfört med de enskilda rena metallerna. Legeringar av koppar, tenn och zink har används sedan ungefär 2500 fvt men än idag försöker forskare utröna de komplexa växelverkningarna mellan legeringskomponenter på atomär nivå. I denna avhandling ligger fokus på två legeringsgrupper: aluminiumlegeringar och stål.

De båda legeringsgruppernas oxidskikt är avgörande då dessa bestämmer materialens korrosionsbeständighet. I denna avhandling har ytfysikmetodik använts för att undersöka den kemiska sammansättningen, tjocklek och fördelning av faser och partiklar inom dessa oxidskikt. Forskningsfältets framkant utmärks av försök att överbrygga skillnaden mellan förenklade modeller i välkontrollerade omgivningar och kommersiella legeringar med experimentförutsättningar som avspeglar de industriella villkoren.

De metoder som används i denna avhandling har gemensamt att de använder röntgenstrålar och elektroner för att karakterisera ytan. De röntgenstrålar som används genereras i en cyklisk partikelaccelerator som kallas synkrotron. Synkrotronljusstrålning uppstår när elektroner, som i acceleratorn har en fart nära ljusets, böjs genom ett starkt magnetfält. Experimentstationer tillåter forskning på industriella prover med olika metoder, så som röntgenreflektivitet, röntgenfotoelektronspektroskopi och fotoemissionselektronmikroskopi. Dessa metoder ger information om tjockleken på oxidskiktet, vilka ämnen som ingår i oxidskiktet samt deras kemiska tillstånd och fördelning på ytan.

Att studera hur materialets egenskaper förändras på grund av olika provmiljöer, till exempel tryck av olika gaser eller provtemperatur, är en del av ALUX-projektet (ALUminium oXides for processing and products) i vilket detta arbete utförts. Projektets mål är att använda nya mätmetoder och grundläggande teorier för att bidra till utveckling av produkter med förbättrad mångsidighet och korrosionsbeständighet. För att nå detta mål inleddes ett samarbete mellan experimentella och teoretiska fysiker och den svenska aluminiumindustrin i ett gemensamt projekt: ALUX-projektet. Under samarbetet inom ALUX-projektet utvecklades ett intresse att studera flera industriella legeringar och därför inkluderades också stål.

I detta arbete har vi försökt att nå vissa delmål inom ALUX-projektet, genom att tillämpa klassiska men också mer nyutvecklade ytfysikaliska metoder för karakterisering av komplexa aluminiumlegeringar och stål samt deras oxidskikt. Resultaten i avhandlingen visar att det finns stora skillnader i tjockleken och sammansättning på oxidskiktet mellan de klassiska experiment som utförs i ultrahögvakuum och de som används i mer industrilika provmiljöer. Därför är det av största vikt att utveckla nya mätmetoder såsom högtrycksröntgenfotoeletronspektroskopi och använda dessa nya metoder för att förbättra förståelsen av industriella material.

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Populärwissenschaftliche Zusammenfassung

Nahezu alle metallischen Materialien, die wir heute anwenden, sind Legierungen. Der Grund hiefür liegt in deren, im Vergleich zu den einzelnen Legierungselementen, verbesserten physikalischen Eigenschaften wie Festigkeit, Verschleißbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturverhalten. Legierungen aus Kupfer, Zinn und Zink werden schon seit ungefähr 2500 Jahren vor unser Zeitrechnung verwendet. Da die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Legierungselementen sehr komplex sind, versuchen sogar noch heute Forscher diese auf atomarem Niveau zu verstehen. Die hier vorliegende Arbeit beschäftigt sich hauptsächlich mit zwei Sorten von Legierungen: Aluminiumlegierungen und Stähle.

Da in beiden Legierungssorten die Korrosionsbeständigkeit von den Oxidschichten abhängt, werden in dieser Arbeit oberflächenphysikalische Messverfahren angewandt, um die chemische Zusammensetzung, die Dicke und die Verteilung verschiedener Phasen und Körner darin zu bestimmen. Die Spitzenforschung auf diesem Gebiet beschäftigt sich mit dem Übergang von Experimenten an vereinfachten Modellsystemen in gut kontrollierbaren Messumgebungen zu Messumgebungen, die denen der Industrie mehr ähneln.

Die in dieser Arbeit verwendeten Methoden haben gemeinsam, dass sie Elektronen und Röntgenstrahlen zur Charakterisierung der Oberfläche nutzen. Die Röntgenstrahlen werden dafür in einem kreisförmigen Teilchenbeschleuniger, einer sogenannten Strahlungsquelle, erzeugt. Synchrotronstrahlung wird hervorgerufen, wenn Elektronen, die in dem Beschleuniger Geschwindigkeiten nahe der des Lichtes haben, durch ein starkes Magnetfeld abgelenkt werden. Experimentelle Messstationen ermöglichen die Erforschung der industriellen Proben mit den unterschiedlichsten Methoden, wie unter anderem, die in dieser Arbeit besprochenen Methoden der Röntgenreflektometrie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie und Photoemissionselektronenmikroskopie. Diese Messmethoden geben Informationen über die Dicke der Oxidschicht, die Elemente in ihr und deren chemischer Zustand sowie deren laterale Verteilung.

Die Erforschung des Einflusses der Probenumgebung auf diese Eigenschaften ist Teil des ALUX- (ALUminium oXides for processing and products) Projektes, in dessen Rahmen die vorliegende Arbeit angefertigt wurde. Das Projekt hat sich zum Ziel gesetzt, mit neuen Messmethoden und grundlegenden Theorien zur Entwicklung von Aluminiumprodukten mit verbesserter Vielseitigkeit und Korrosionsbeständigkeit beizutragen.

Um dies zu erreichen, haben sich experimentelle und theoretische Physiker mit der schwedischen Aluminiumindustrie innerhalb des ALUX-Projektes zusammengeschlossen. Während diser Zusammenarbeit hat sich ein Interesse an weiteren industriellen Materialien entwickelt. Daher beinhaltet diese Arbeit auch die Untersuchung von Stahlproben.

Meine Arbeit trägt zu den Zielen des ALUX-Projektes bei, indem sie klassische oberflächenphysikalische Methoden für die Charakterisierung von komplexen Aluminiumlegierungen und Stählen sowie deren Oxidschichten verwendet. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass große Unterschiede in der Dicke und der Zusammensetzung der Oxidschicht entstehen je nachdem ob die Probe in Ultrahochvakuum oder in industrienahen Probenumgebungen charakterisiert wurde. Daher ist es von großer Bedeutung, neue Messmethoden, wie z.B. Hochdruckröntgenphotoelektronenspektroskopie, zu entwickeln und diese zur Verbesserung des Verständnisses industrieller Materialien einzusetzen.

• author: Rullik, Lisa
• supervisor: Edvin Lundgren; Anders Mikkelsen
• opponent: Dr. Senior Lecturer Lindsay, Robert, The University of Manchester, UK
• organization: Synchrotron Radiation Research; NanoLund: Centre for Nanoscience
• alternative title: Industriella legeringar studerade med ytfysikmetoder
• publishing date: 2018-11
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Condensed Matter Physics; Metallurgy and Metallic Materials
• keywords: aluminum alloy, brazing, AA 6063, duplex stainless steel, SAF 2507, XPS, APXPS, XPEEM, XRR, microstructure, aluminiumlegering, hårdlödning, AA 6063, duplexstål, SAF 2507, XPS, APXPS, XPEEM, XRR, mikrostruktur
• pages: 192 pages
• defense location: the Rydberg Lecture Hall, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund
• defense date: 2018-12-14 13:15:00
• ISBN: 978-91-7753-901-8
• ISBN: 978-91-7753-900-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 05044375-ae52-4dca-82e6-719226dcfee1
• date added to LUP: 2018-11-20 11:18:46
• date last changed: 2019-05-13 15:52:05