Master's Thesis

Preparation and characterization of a fluoride coating on a 3D-printed WE43 magnesium alloy for enhanced corrosion resistance

Final Thesis 4.2 MB

Author of thesis: Bc. Ondřej Lahoda

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Leoš Doskočil, Ph.D.

Reviewer: Ing. Martin Buchtík, Ph.D.

Abstract:

This master’s thesis focuses on the surface treatment of the WE43 magnesium alloy produced by selective laser melting (SLM). The aim was to characterize the surface structure using scanning electron microscopy (SEM), remove residual unsintered powder from the surface of the printed parts, and prepare a protective fluoride conversion coating. WE43 alloy samples in the form of lattice structures were subjected to an alkaline treatment in a 1M NaOH solution and fluoridation in solutions of hydrofluoric acid (HF), sodium fluoride (NaF), and sodium tetrafluoroborate (NaBF₄) at varying concentrations. The chemical composition and morphology of the prepared conversion layers were analyzed using energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), including cross-sectional analysis. Corrosion resistance was evaluated via immersion testing in Hank’s solution to simulate a physiological environment. It was found that single-step fluoridation in a 5% HF solution led to the formation of a compact layer with a thickness of 6.8 μm. In combination with an alkaline pretreatment in 1M NaOH, a thicker coating of 8.6 μm was formed with incorporated rare earth element compounds. Both surface treatment variants, compared to the untreated alloy, demonstrated a fourfold increase in the time to structural failure. For the lattice structures, it was determined that the microscopic integrity of the printed components, rather than the chemical composition of the coating, is the primary factor dictating their corrosion lifespan.

Keywords:

Magnesium alloy, WE43, selective laser melting, fluoride conversion coating, corrosion resistance, lattice structure

Date of defence

02.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student při obhajobě práce na téma Příprava a charakterizace fluoridového povlaku na 3D tištěné hořčíkové slitině WE43 pro zvýšení korozní odolnosti nejdříve představil motivaci a cíle své práce. Dále popsal přípravu povlaku a jeho charakterizaci. Dále komisi seznámil s výsledky příprav povlaků a korozních zkoušek se shrnutím v závěru. Student pak odpovídal na otázky oponenta: 1)Podle rovnice 22 v kap. 4.2 uvádíte vznik Mg(OH)2 z Mg2+. V silně alkalickém prostředí (1M NaOH) se Mg podle Pourbaixova diagramu (Obr. 11) nachází v oblasti pasivity. Jakým mechanismem si vysvětlujete vznik Mg2+ iontů potřebných pro tvorbu vrstvy Mg(OH)2 v těchto podmínkách? 2)U vzorků slitiny WE43 bez pasivace, upravených v roztocích 5% HF a 0,1M NaF (str. 43), dochází po 5 dnech k překrytí pórů nově narůstajícími krystaly MgF2, aniž by byly pozorovány výrazné trhliny ve vrstvě. Naopak u vzorků upravených ve 40% HF jsou trhliny přítomné. Jak si tento rozdíl vysvětlujete? 3)Na základě jakých experimentálních výsledků usuzujete, že precipitace vápenatých fosforečnanů (Ca-P) je řízena lokální alkalizací rozhraní, a nikoliv například adsorpcí iontů či nukleací a krystalizací složek Hanksova roztoku na povrchových defektech fluoridového povlaku? Komise poté položila následující otázky: 1) Jakou roli hraje náboj na povrchu? Na dané otázky diplomant výborně odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta chemická

Department

Institute of Materials Science

Study programme

Chemistry and Technology of Materials (NPCP_CHTM)

Composition of Committee

doc. Ing. František Šoukal, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Jaromír Havlica, DrSc. (člen)
prof. Ing. Petr Ptáček, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Lucy Vojtová, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Josef Jančář, CSc. (člen)
Ing. Jiří Pác (člen)
Ing. Jiří Lerch (člen)

Supervisor’s report
Ing. Leoš Doskočil, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá povrchovou úpravou 3D tištěné hořčíkové slitiny WE43 připravené metodou selektivního laserového tavení (SLM). Povrchová úprava byla realizována přípravou fluoridových konverzních povlaků z různých fluoridačních roztoků za odlišných experimentálních podmínek. Práce představuje přínosný příspěvek k problematice přípravy fluoridových povlaků na 3D tištěných hořčíkových materiálech a vytváří vhodný základ pro další výzkum v této oblasti.
Student během řešení práce přistupoval k experimentální činnosti samostatně, aktivně a se značným zájmem o řešenou problematiku. Nad rámec zadání přicházel s vlastními experimentálními návrhy inspirovanými odbornou literaturou a podílel se také na návrhu úprav experimentálního uspořádání. Prokázal schopnost samostatného řešení odborných problémů, kritické interpretace výsledků i práce s vědeckou literaturou. Je však škoda, že potenciál práce s odbornou literaturou nebyl výrazněji využit v části věnované diskusi získaných výsledků.
Po formální stránce je práce zpracována přehledně, odborným jazykem a s dobrou logickou návazností jednotlivých kapitol. Diplomová práce splňuje požadavky kladené na tento typ kvalifikačních prací.
Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnotit známkou A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování B
Využití poznatků z literatury A
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse B
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Martin Buchtík, Ph.D.

Diplomová práce studenta Ondřeje Lahody se zabývá přípravou a charakterizací fluoridového povlaku na 3D tištěné hořčíkové slitině WE43 za účelem zlepšení korozní odolnosti. Téma práce je velmi aktuální a z hlediska využití hořčíkových slitin pro biomedicínské aplikace i technologicky relevantní. V teoretické části student velmi přehledně zpracoval základní problematiku týkající se hořčíku a jeho korozní degradace. Dále jsou shrnuty poznatky o aditivní výrobě, povrchových úpravách hořčíkových materiálů se zaměřením na fluoridové povlaky a jejich vliv na korozní chování. Teoretická část je místy pojata obecně a nezasahuje do potřebné hloubky. Rovněž lze vytknout ne zcela vhodně zvolené číslování kapitol, případně jeho absenci v některých částech, což snižuje přehlednost textu. Experimentální část a výsledky jsou zpracovány velmi pěkně, nicméně v celé části diskuze postrádá text zcela odkazy na odbornou literaturu. Tvrzení uváděná v diskuzi tak nejsou dostatečně podložena relevantními literárními zdroji, což snižuje jejich odbornou oporu. Z hlediska struktury práce by bylo vhodné lepší provázání jednotlivých výsledků, zejména sjednocení prezentace analýzy povrchu, řezů a chemického složení do ucelených kapitol podle jednotlivých vzorků a metod syntézy, což by přispělo k větší přehlednosti a logické návaznosti textu. Celkově je však diplomová práce zpracována na dobré úrovni a obsahuje kvalitní experimentální výsledky. S ohledem na celkové zpracování a odbornou úroveň práce ji hodnotím známkou B a doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce B
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse B
Využití literatury a její citace C
Úroveň jazykového zpracování A
Formální úroveň práce – celkový dojem A
Závěry práce a jejich formulace B
Topics for thesis defence:
  1. Podle rovnice 22 v kap. 4.2 uvádíte vznik Mg(OH)2 z Mg2+. V silně alkalickém prostředí (1M NaOH) se Mg podle Pourbaixova diagramu (Obr. 11) nachází v oblasti pasivity. Jakým mechanismem si vysvětlujete vznik Mg2+ iontů potřebných pro tvorbu vrstvy Mg(OH)2 v těchto podmínkách?
  2. U vzorků slitiny WE43 bez pasivace, upravených v roztocích 5% HF a 0,1M NaF (str. 43), dochází po 5 dnech k překrytí pórů nově narůstajícími krystaly MgF2, aniž by byly pozorovány výrazné trhliny ve vrstvě. Naopak u vzorků upravených ve 40% HF jsou trhliny přítomné. Jak si tento rozdíl vysvětlujete?
  3. Na základě jakých experimentálních výsledků usuzujete, že precipitace vápenatých fosforečnanů (Ca-P) je řízena lokální alkalizací rozhraní, a nikoliv například adsorpcí iontů či nukleací a krystalizací složek Hanksova roztoku na povrchových defektech fluoridového povlaku?
  4. V práci opakovaně uvádíte, že MgF2 zůstává chemicky přítomen, zachovává stechiometrii, tvoří efektivní bariéru. Přesto dochází k selhání. Do jaké míry je podle Vás hlavním faktorem selhání vzorků během korozních testů chemická stabilita MgF2 povlaku a do jaké míry jeho morfologie, kontinuita a přítomnost defektů? Pokud MgF2 vykazuje i po expozici přibližně stechiometrické složení, avšak systém přesto korozně selhává, lze předpokládat, že samotná chemická stabilita není určujícím faktorem korozní odolnosti. Jaký parametr tedy podle Vás rozhoduje o výsledné životnosti vzorků?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová