Wahlmodul Korrosion und Oberflächentechnik (MWT3-WW4 Korrosion und Oberflächentechnik)10 ECTS
(englische Bezeichnung: Elective Module Corrosion Surface Science)
(Prüfungsordnungsmodul: Modul MWT3 - WW4 Korrosion und Oberflächentechnik)

Lehrveranstaltungen:

• • Surface Modification techniques (SS 2022)
    (Vorlesung, 2 SWS, Michael Strebl et al., Di, 16:00 - 17:30, Raum n.V.; From 10th of May on the lecture will regularly take place Tuesdays 16:00-17:30 (room 2.65 Martensstr. 7))
  • Surface Analysis I (WS 2021/2022)
    (Vorlesung, 2 SWS, Michael Höhlinger, Do, 14:15 - 15:45, H10; Nach Vereinbarung)
  • Advanced Corrosion Science (WS 2021/2022)
    (Vorlesung, 2 SWS, Michael Strebl et al., Di, 8:30 - 10:00, 0.85; Terminvereinbarung in Vorbesprechung Master LKO WS 2021/22; Vorbesprechung: 19.10.2021, 9:00 - 10:00 Uhr, Zoom-Meeting)
  • Berechnung von Korrosionsproblemen (WS 2021/2022)
    (Übung, 2 SWS, Michael Strebl et al., Fr, 12:15 - 13:45, 0.85; Vorbesprechung: 19.10.2021, 9:00 - 10:00 Uhr, Zoom-Meeting)

Inhalt:

Surface Analysis
The generation of nanostructured materials gained relevance in the recent years and efficient characterization methods were developed, permitting insight into the topographical and chemical nanostructure of materials. The scope of this course covers a range of surface analytical instruments, discussing their principle mode of operation, application and data interpretation. All discussed instruments are also available at the chair and tutorials at the machines are a part of the lecture. The generation of nanostructured materials from particles to complex 3 dimensional structures is the topic of the second part of this lecture.
Topics covered in this course: Basics in crystallography, surface characterization techniques, STM/AFM, SEM/EDX, XPS/Auger, XRD, ToF-SIMS, Generation of nanostructures, nanostructured CVD, sol-gel process, application of nanostructured surfaces.

Advanced Corrosion Science
Recap of fundamental background in electrochemistry and corrosion

Introduction to advanced methods in corrosion science:
• Electrochemical methods (Polarization curve, EIS, EC noise)
• Local techniques (SVET, SKP, SIET, LEIS)
• Non electrochemical techniques: Respirometry, mass loss, solution analysis, resitance method
• Surface analysis (SEM, TEM, EDX, XPS, Auger, ToF SIMS, GDOES, atom probe analysis)

Discussion of current issues in corrosion science:
• Biodegradable metals
• Passive films und localized corrosion
• Atmospheric corrosion
• Corrosion in nuclear waste repositories
• Corrosion of advanced materials: AM, BMG, high entropy alloys und ultrafine-grained materials
• Drinking water corrosion, microbially induced corrosion, cathodic protection
• Inhibitors und smart coatings
• Mg und Al corrosion
• Corrosion Modelling, DFT
• (Corrosion in) Electrochemical energy storage and conversion

Corrosion failure case studies and analysis: Discussion of the conditions and mechanisms that led to corrosion failure based on observations and experimental evidence and derivation of a solution to the problem.

Surface Modification Techniques
Innerhalb der Materialwissenschaften kommt der Oberflächenmodifikation entscheidende Bedeutung zu. Neben der Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit sowie der tribologischen Eigenschaften können dadurch auch gänzlich neue Eigenschaften generiert werden. Im Zuge dieser Lehrveranstaltung werden diverse Methoden der Oberflächenmodifikation und Oberflächenfunktionalisierung beleuchtet. Es werden die Grundlagen aber auch Fallbeispiele derartiger Verfahren erläutert und deren Rolle im Alltäglichen Leben ebenso wie in industriellen Anwendungen Rechnung getragen. Neben den etablierten Methoden werden auch neuartige Ansätze aus den aktuellen Forschungsgebieten des Lehrstuhls erläutert.

The tailored modification of surfaces plays an important role in material science. Besides improving e.g. the corrosion- and tribological-properties of material-surfaces by specific methods and approaches, furthermore completely new properties can be achieved. In this course common methods of surface modification and surface functionalization are elucidated. The theoretical background and examples, indicating the relevance of these methods in everyday life as well as for industrial applications, are presented. In addition to the common methods new highly promising approaches are introduced and discussed.

Berechnung von Korrosionsproblemen
„Die World Corrosion Organization (WCO) schätzte 2009 die wirtschaftlichen Schäden durch Korrosion auf weltweit 1,8 Billionen US-Dollar. In Industriestaaten belaufen sich die jährlichen Kosten durch Korrosion auf bis zu 4 Prozent des Bruttoinlandsproduktes, in Deutschland also auf bis zu 104 Milliarden Euro“ [Deutsches Lackinstitut]. Die hier angeführten Zahlen zeigen, dass Korrosion ein wirtschaftlich sehr bedeutendes Problem darstellt, dem große Beachtung beigemessen werden muss. Das Lernziel der Vorlesung „Berechnung von Korrosionsproblemen“ ist es, mittels im Bachelorstudium erworbenen Kenntnissen, Fallbeispiele typischer Korrosionsprobleme fachlich tiefgehend verstehen und beurteilen zu können. Hierfür werden zum einen häufige grundlegende praxisnahe Probleme definiert und beschrieben. Zum anderen werden durch Abstraktion komplexe Beispiele und Anwendungen auf bekannte Grundlagen heruntergebrochen, quantitativ beschrieben und somit fassbar gemacht.

Lernziele und Kompetenzen:

• Die Studierenden können chemische und physikalische Oberflächen- und Grenzflächenreaktionen, inklusive Korrosionsreaktionen, sowie Funktionalisierung und Strukturierung von Oberflächen erklären.

• Die Studierenden können elektrochemische und oberflächenanalytische Methoden in den Werkstoffwissenschaften anwenden.
  

Surface Analysis I

Die Studierenden

• können oberflächenanalytische Methoden in den Werkstoffwissenschaften anwenden.

• verstehen fundamentaler Konzepte im Bereich Kristallographie

• können Vor- und Nachteile verschiedener Verfahren der Oberflächencharakterisierung kritisch diskutieren

• verstehen die theoretischen Grundlagen von STM/AFM, SEM/EDX, XPS/Auger, XRD, ToF-SIMS

• kennen verschiedener Herstellungsmethoden für Nanostrukturen und Anwendung von CVD.

• verstehen das Prinzip des Sol-Gel Prozesses

• kennen die Anwendungen nanostrukturierter Oberflächen

• kennen und verstehen Verfahren zur Oberflächenanalyse bei Nanomaterialien
  

Describing of basic concepts in crystallography. Evaluating different kinds of surface characterization techniques (pros and cons). Elucidating the theoretical background of STM/AFM, SEM/EDX, XPS/Auger, XRD, ToF-SIMS. Defining fabrication methods of nanostructures and elucidation of nanostructured CVD. Describing the sol-gel process. Reporting applications of nanostructured surfaces. Elucidation of surface analytical techniques for nanomaterial characterization.

Advanced Corrosion Science

The students are able to:

• Identify, distinguish, and explain corrosion mechanism and different forms of corrosion.
  

• Illustrate and explain electrochemical, local, non-electrochemical and surface analysis methods that are used in corrosion science.
  

• Interpret results of the characterisation methods described above
  

• Explain the different concepts of smart coatings and self-healing coatings including triggers and release mechanisms of inhibitors.
  

• Present the details that play a role atmospheric corrosion processes like salts, relative humidity, electrolyte film thickness, time of wetness, influence of gases, wet dry cycling and corrosion product formation.
  

• Explain different test methods for atmospheric corrosion, like lab exposure, accelerated corrosion tests and field exposure tests.
  

• Discuss special features in the corrosion mechanisms of Mg and Al alloys (anomalous H2 evolution).
  

• Review different mechanisms of localized corrosion and explain the significance of pit initiation and pit growth, critical pitting potential, critical pitting temperature and repassivation in localized corrosion.
  

• Explain cathodic and anodic paint disbonding or delamination and how it can be studied using SKP.
  

• Assess findings of scientific investigations of corrosion failure, determine corrosion mechanisms that lead to the corrosion issue and develop a concept for solving the corrosion problem.
  

• Explain mechanisms of different types of corrosion inhibitors.
  

• Summarize corrosion properties of advanced materials like high entropy alloys, bulk metallic glasses, additive manufactured materials or ultrafine-grained materials.
  

• Describe corrosion related aspects of nuclear waste storage and the influence of radiation on corrosion.
  

• Compare different types of metals in their applicability as a biodegradable metal and explain surface treatments to control the degradation behavior.
  

• Understand the complexity of simulated body fluids and possible discrepancy between in vitro and in vivo experiments.
  

• Describe mechanisms of microbially induced corrosion, dezincification.
  

• Explain cathodic protection strategies by sacrificial anodes and impressed current cathodic protection.

Surface Modification Techniques
Die Studierenden

• können die Grundlagen von Korrosionsmechanismen und -arten wiedergeben.
  

• lernen verschiedene Methoden der Oberflächenvorbehandlung kennen.
  

• können abschätzen, welche Oberflächenvorbehandlung für die Entfernung verschiedener Verunreinigungen eingesetzt werden können.
  

• können den zugrundeliegenden Mechanismus einer Konversionsbeschichtung am Beispiel der Phosphatierung und Chromatierung beschreiben.
  

• erklären die Mechanismen von elektrochemischer Abscheidung und elektrophoretischer Beschichtung
  

• erkennen den Zusammenhang verschiedener Schritte und Parameter der Oberflächenvorbereitung auf die finale Oberflächenqualität einer Beschichtung.
  

• lernen die Bestandteile und Wirkungsweise einer Reinigungslösung kennen
  

• Die Studierenden werden auf Besonderheiten hinsichtlich des Umweltschutzes bei der Oberflächentechnik sensibilisiert.

• erklären die verschiedene Verfahren und Beschichtungsmechanismen von PVD und CVD Prozessen.
  

• Erklären von Verfahren des thermischen Spritzens und von Sol-Gel Beschichtungen
  

• können chemische und elektrochemische Konversionsschichten (Phosphatierung, Chromierung, Anodisierung)
  

• Erläutern Besonderheiten verschiedener organischer Beschichtungen (Lacke).
  

• Erklären selbstorganisierender Monolagen und Konzepte zur Erzeugung superhydrophober Oberflächen
  

• Beschreiben den Mechanismus der Ausbildung von selbstorganisierenden anodische Oxidschichten (Nanoporen und Nanoröhren).
  

Illustrating the mode of action of chemical mechanical pretreatment. Describing plasma aided methods, Laser and electron beam methods as well as ion implantation. Illustrating the mode of action of chemical conversion layers (phosphatization, chromating), electrodeposition, electrophoresis, electrochemical conversion layers (anodizing) and CVD/PVD techniques. Understanding the basics of organic coatings (paints and lacquers), self-assembled monolayers, self-organized anodic oxide layers (Nanopores, Nanotubes).

Berechnung von Korrosionsproblemen

Die Studierenden sind in der Lage:

• den Wirkzusammenhang von Kinetik und Potential bei Korrosionsreaktionen quantitativ zu erfassen.
  

• Den Unterschied und die Einflüsse auf Diffusions- und Aktivierungskontrolle zu erklären
  

• Korrosionsvorgänge anhand schematischer Stromdichte-Potential Kurven zu veranschaulichen
  

• Pourbaix-Diagramme zu erstellen zu verstehen und anzuwenden.
  

• die Nernst Gleichung anzuwenden und leiten sie her.
  

• Fragestellungen der Hochtemperaturoxidation zu bewerten.
  

• Möglichkeiten des Korrosionsschutzes zu beurteilen.
  

Quantitative elucidation of the cause-effect relationship between kinetics and potential, Construction of Pourbaix diagrams, applying nernst equation, Assessment of high-temperature oxidation behaviors of metals and alloys, Evaluation of corrosion-protection approaches

Studien-/Prüfungsleistungen:

Wahlmodul Korrosion und Oberflächentechnik (Prüfungsnummer: 779852)

(englischer Titel: Elective Module Corrosion Surface Science)

Prüfungsleistung, mündliche Prüfung, Dauer (in Minuten): 20, benotet, 10.0 ECTS

Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %

Erstablegung: WS 2021/2022, 1. Wdh.: SS 2022

1. Prüfer:

Patrik Schmuki

1. Prüfer:

Sannakaisa Virtanen