Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Imaging korrosion vid metal-Paint Interface använda Time-of-Flight sekundär Jon masspektrometri

Published: May 6, 2019 doi: 10.3791/59523
Automatic Translation
1, 2, 3, 1
1Earth and Biological Sciences Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 2Energy and Environment Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 3Wiley Environmental Molecular Sciences Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory

Summary

Tid-of-Flight sekundära Jon masspektrometri appliceras för att demonstrera den kemiska kart läggning och korrosion morfologi vid metall-måla gränssnitt av en aluminiumlegering efter att ha utsatts för en saltlösning jämfört med ett prov som utsätts för luft.

Abstract

Korrosion utvecklades vid lacken och aluminium (Al) metall-måla gränssnitt av en aluminiumlegering analyseras med hjälp av tid-of-Flight sekundära Jon masspektrometri (ToF-SIMS), vilket visar att SIMS är en lämplig teknik för att studera den kemiska distributionen på en metall-måla gränssnitt. De målade Al-legering kuponger är nedsänkt i en saltlösning eller utsätts för luft endast. SIMS ger kemisk kart läggning och 2D-molekylär avbildning av gränssnittet, vilket möjliggör direkt visualisering av morfologin av de korrosions produkter som bildas vid metall-måla gränssnitt och kart läggning av kemikalien efter korrosion uppstår. Det experimentella förfarandet för denna metod presenteras för att ge tekniska Detaljer för att under lätta liknande forskning och belysa fall gro par som kan påträffas under sådana experiment.

Introduction

Al legeringar har breda tillämpningar i tekniska konstruktioner, såsom marin teknik eller militär bil, som kan hänföras till deras hög hållfasthet-till-vikt-förhållande, utmärkt formbarhet, och korrosions beständighet. Men lokaliserad korrosion av Al-legeringar är fortfarande ett vanligt fenomen som påverkar deras långsiktiga tillförlitlighet, hållbarhet och integritet i olika miljö förhållanden1. Lackering är det vanligaste sättet att förhindra korrosion. Illustration av den korrosion som utvecklats vid gränssnittet mellan metall och lackering kan ge insikter i att fastställa lämpliga Bote medel för korrosions skydd.

Korrosion av Al legeringar kan ske via flera olika vägar. Röntgen-fotoelektronspektroskopi (XPS) och scanning elektronmikroskopi/energidispersiv röntgenspektroskopi (SEM/EDX) är två vanliga mikroanalystekniker som används för att utreda korrosion. XPS kan ge elementärt kart läggning men inte en molekyl bild av ytan kemisk information2,3, medan SEM/EDX ger morfologisk information och elementär mappning men med relativt låg känslighet.

ToF-SIMS är ett annat ytverktyg för kemisk kart läggning med hög massa noggrannhet och lateral upplösning. Den har en låg detektions gräns (LOD) och kan avslöja fördelningen av de korrosions arter som bildas vid metall färgs gränssnittet. Vanligt vis kan SIMS Mass upplösning nå 5000-15000, tillräckligt för att differentiera de isobariska jonerna4. Med sin submicron rumsliga upplösning kan ToF-SIMS kemiskt avbilda och karakterisera metall färgs gränssnittet. Det ger inte bara morfologisk information utan även den laterala fördelningen av molekyl ära korrosions arter på de översta nanometer av ytan. ToF-SIMS erbjuder kompletterande information till XPS och SEM/EDX.

För att demonstrera förmågan hos ToF-SIMS i ytkarakterisering och avbildning av korrosions gränssnittet analyseras två målade Al-legeringskuponger (7075), en som utsätts för luft och en till en saltlösning, (figur 1 och figur 2). Förstå korrosion beteende på metall-måla gränssnitt utsätts för saltlösning villkoret är avgörande för att förstå utförandet av Al-legering i en marin miljö, till exempel. Det är känt att bildandet av Al (OH)3 sker under Al: s exponering för havs vatten5, men studien av Al korrosion saknar fortfarande omfattande molekylär identifiering av korrosion och beläggning gränssnitt. I denna studie observeras och identifieras fragment av Al (OH)3, inklusive Al oxider (t. ex. Al3o5-) och oxyhydroxidarter (t. ex. Al3o6H2-). Jämförelserna mellan Sims Mass spektrum (figur 3) och molekyl ära bilder(figur 4) av de negativa jonerna Al3o5- och Al3o6H2- ger den molekyl ära belägg för de korrosions produkter som bildas vid metall lackering av den saltlösningsbehandlade Al-legeringkupongen. SIMS erbjuder möjligheten att belysa den komplicerade kemi som förekommer vid metall färgs gränssnittet, vilket kan hjälpa till att belysa effekten av ytbehandlingar i Al-legeringar. I detta detaljerade protokoll demonstrerar vi detta effektiva tillvägagångs sätt när det gäller att sondera metall färgs gränssnittet för att hjälpa nya utövare inom korrosions forskning med ToF-SIMS.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. beredning av korrosions prov

  1. Al prov fixering i harts, och polering
    1. Mount två Al legering kuponger (1 cm x 1 cm) med epoxiharts i 1,25 tum metallografiska prov koppar och placera kuponger i draghuv över natten eller tills kådan är helt botad.
    2. Ta ut Al harts cylindrar koppar från provet koppar. Polska Al harts cylindrar med 240 slippapper med vatten vid en 300 rpm Platen/150 rpm i hållaren för 1 min.
    3. Polska Al harts cylindrar med hjälp av poler plattan med 15 μm, 6 μm, 3 μm, och 1 μm vatten-baserad lösning för 5 min (varje steg), sekventiellt.
    4. Skölj Al harts cylindrar med avjoniserat vatten (DI) och buff dem med bomull.
    5. Skölj Al-kåpans cylindrar igen med etanol och placera dem i den kemiska rök kåpan tills de är torra.
      Anmärkning: Alternativt kan provet torkas med trycksatt luft eller kväve.
  2. Beredning av Al korrosions provet
    1. Spraya den svarta färgen 2x på varje Al harts cylinder och låt dem stå i rök huva för 24 h. Färgen är ungefär 100 μm tjock.
      Obs: färgen är en kommersiell produkt med primer blandas i en flaska. Den är snabbtorkande och rostskyddande.
    2. Gravera fyra parallella linjer (5-6 mm långa) rakt ner på toppen av varje målad Al harts cylinder med hjälp av skalpeller. Placera linjerna i mitten av Al-legeringar.
    3. Sänk ner en Al harts cylinder i en pH 8,3 saltlösning som innehåller NaCl, MgSO4, mgcl2, och KCl, med den beskrivs ytan nedåt. Täck delvis den 10 cm x 10 cm petriskål med locket.
      Anmärkning: saltlösningen är tillverkad av 465 mM NaCl, 28 mM MgSO4, 25 mm mgcl2och 3 mM KCl i 50 ml di vatten, justerat med 0,1 M NaOH för att nå cirka pH 8,3. Lösningen innehåller huvud joner i havs vatten. Saltlösningens konduktivitet är cirka 5,5 S/m. Temperaturen på lösningen är 72 ° f.
    4. Placera den andra Al harts cylindern med sin beskrivs yta ner i en ren petriskål och täck den med locket. Förvara båda proverna i den kemiska rök kåpan i 3 veckor.
  3. Exponering av korrosions gränssnitt och montering av gränssnittet i harts
    1. Skär varje Al harts cylinder i två halvor med hjälp av en låg hastighet såg med en diamant blad, vinkel rätt mot mitten av de markerade linjerna, och trimma den överdrivna harts kanten.
    2. Montera alla trimmade Al legering bitar i en 2 tums prov kopp och bilda en församling genom att placera Al legering bitar längs en cirkel, med metall-måla gränssnittet uppåt. Utrymme ut varje Al legerar lappar.
    3. Upprepa steg 1.1.2-1.1.3.
    4. Ytterligare putsa metall-måla tvärsnitt i en vibratorisk poler maskin anbringas på en £ 2 vikt med 0,05 μm kolloidal kiseldioxid lösning på en polering pad för 4 h.
    5. Upprepa steg 1.1.4-1.1.5
      Obs: fixerings-och poler arbetet är viktigt för att få tillräckligt med SIMS-signaler eftersom en opolerad yta kommer att leda till låga intensiteter av sekundära joner signaler och en dålig Mass upplösning under SIMS-analys.
  4. Beläggning av provet med en spotta bestrykare
    1. Sätt den polerade metall-måla gränssnitt församling i spotta bestrykare kammaren med gränssnittet sidan upp. Stäng locket på spotta bestrykare och börja pumpa ner i kammaren.
    2. Följ den vanliga spotta bestrykare förfarande och deponera en 10 nm guld (AU) skikt på metall-måla gränssnitt församling.
      Anmärkning: Syftet med detta prov ytbehandling är att minska laddnings effekten under SIMS-analysen. Om provet är ledande, är detta steg inte nödvändigt.

2. analys av metall-Paint korrosion gränssnitt med ToF-SIMS

  1. Lastning av proverna i ToF-SIMS
    1. Montera metall färg gränssnitts sammansättningen som innehåller det saltlösningsbehandlade provet och den luftexponerade kontrollen på Topmount -provhållaren med skruvar och klämmor.
      Anmärkning: Topmount är namnet på den prov hållare som håller provet på prov hållarens ovansida.
    2. Skruva loss lås skruven på last lås dörren och klicka på knappen stopp på fpanel -fönstret i TOF-Sims program vara grafiskt användar gränssnitt (GUI) för att ventilera load-lock kammaren.
    3. Öppna last lås kammaren genom att svänga prov överförings armen åt höger, vrid överförings armen moturs tills den fäster till stiftet på Topmount prov hållaren och vrid sedan tillbaka den.
    4. Sväng överförings armen bakåt för att stänga luckan till last låset och dra åt lås skruven på dörren för att täta last låset.
    5. Klicka på knappen starta på fpanel fönstret för att pumpa ner lasten-lås kammaren tills den når ~ 1,0 e-6 mbar eller lägre.
    6. Klicka på knappen Öppna på fpanel-fönstret för att öppna grinden mellan huvud kammaren och last låset.
    7. Skjut prov överförings armen fäst med prov hållaren i huvud kammaren. Vrid överförings armen moturs tills prov hållaren överförs till prov stadiet i huvud kammaren.
    8. Dra tillbaka överförings armen hela vägen bakåt och klicka på knappen Stäng på fpanel-fönstret för att stänga grinden mellan huvud kammaren och last låset.
    9. Välj Topmount. Shi från rullgardinsmenyn i popup-fönstret, Välj prov hållarenoch klicka på OK. Bilden av Topmount prov hållaren visas på höger sida av Navigator GUI.
    10. Vänta tills vakuum nivån i huvud kammaren når minst 1,0 E-8 mbar eller lägre.
  2. Start av den flytande metallen Jon pistolen (LMIG) och justeringen av Jon strålen
    1. Kryssa i rutorna för Limg, analysatoroch belysning i Power Control -fönstret för att driva upp den flytande metall Jon pistolen (limg), analysatorn och ljus källan efter att proverna överförts till huvud vakuum kammaren.
    2. Markera rutan för Lmig som visas på fpanel-fönstret för att aktivera lmig-inställningsfliken. Klicka på Start Lmig från Källunderfliken under fliken limg i instrument fönstret för att aktivera lmig.
    3. Välj den fördefinierade filen med spektrometriska inställningar i popup-fönstret för belastnings inställningar och klicka på Öppna.
      Anmärkning: bi3+ är vald som primär Jon stråle. LMIG-energin är inställd på 25 kV. Den LIMG Chopper bredden är inställd på 25 ns. Övriga inställningar inklusive emissions ström 1,0 μA; värmevärdet är 2,75 A; suppressor cirka 800-1000 V; fläkten 10 kV; linsen källa 3,3 kV; cykeltid 100 μs; massan spänner 1-870 u. Inställningarna kan variera beroende på instrument modell, återstående livstid för LMIG och anskaffnings kravet för specifika prover.
    4. Välj Lmig i popup-fönstret Kategorier att ladda, klicka på knappen markerad och klicka på OK.
      Obs: det tar ungefär 5 minuter att helt starta LIMG.
    5. Välj positiv i rullgardinsmenyn för instrument inställning i fpanel för att bestämma vilka joner som ska detekteras.
      Obs: Välj negativ från rullgardinsmenyn om negativa joner ska mätas.
    6. Välj den fördefinierade filen för Analyzer-inställningarna efter att ha klickat på knappen för lastning inställningar i fpanel för att aktivera analysatorn.
      Obs: analysatorn acceleration är inställd på 9,5 kV; analysatorns energi är inställd på 2 kV. detektorn är inställd på 9 kV. Inställningarna för analysatorn kan variera beroende på konfigurationen av olika SIMS-modeller.
    7. Välj Faraday Cup i den nedrullningsbara menyn för markör positionen i Navigator GUI. Klicka på gå för att flytta scenen till Faraday Cup.
      Obs: flytta scenen till Faraday Cup för målet aktuella mätningen.
    8. Välj Micro View från rullgardinsmenyn med video i Navigator GUI för att se positionen för Faraday Cup.
    9. Klicka på mitten av Faraday Cup under Micro View i Navigator GUI och välj Drive till markerad position från rullgardinsmenyn efter att högerklicka på se/si primära Gun fönstret i Navigator Gui.
    10. Välj 20 μm x 20 μm från rullgardinsmenyn i Ange raster synfält efter att HÖGERKLICKA på se/si primära Gun fönster i Navigator GUI.
    11. Klicka på knappen C från pistol underfliken under fliken limg i instrument fönstret för att automatiskt justera Jon strålen.
    12. Klicka på Start -knappen och markera rutan för DC från den pulserande underflik under fliken lmig för att mäta mål strömmen.
    13. Klicka på X blanking från fokus underfliken under limg fliken och vrid mus hjulet för att maximera mål strömmen. Klicka på Y blanking från samma flik för att maximera mål strömmen.
      Anmärkning: mål strömmen för Jon strålen mätt under masspektrometrisläget bör vara större än 14 na, eller större än 0,5 pa om bi3+ är vald, för att uppnå önskade intensiteter av Jon signaler.
    14. Klicka på stopp knappen på underfliken fokus om du vill stoppa mätningen av mål strömmen.
  3. Justering av balk fokus i regionen av intresse
    1. Tryck på Z -knappen på joystickens kontroll panel och skjut joysticken upp till nedre delen av prov stadiet tills extraktionskonen ligger ovanför den metall-måla gränssnitts enheten.
      Obs: det är viktigt att undvika en kollision mellan extraktionskonen och proverna när du utför detta steg.
    2. Tryck på X -och Y -knapparna på joysticken och flytta joysticken åt vänster/höger och upp/ned för att få gränssnitts sammansättningen till den visas i makrovyn i Navigator -gränssnittet.
    3. Växla till Micro View i Navigator GUI för att hitta den region av intresse (ROI) av Metal-Paint gränssnitt.
    4. Ställ ROI till 300 μm x 300 μm efter att högerklicka på se/si primära pistol fönster för att expandera fältet i vyn.
    5. Välj signal typ si, raster storlek 128 x 128 pixel, och raster typ slumpmässigt från se/si primära pistolen i Navigator GUI.
    6. Klicka på den svarta triangelknappen och Justera si -knappen i se/si primära Gun -fönstret. Den runda formen på den sekundära Jon bilden (SI) av avkastningen visas i fönstret se/si Primary Gun .
    7. Tryck på Z -knappen på joystickens kontroll panel. Flytta joysticken upp eller ner för att få den runda formen på SI-bilden till mitten av hårkorset i se/si primära Gun fönster.
      Obs: om hårkorset är i mitten av den runda formen på SI bild, det indikerar att bilden erhålls med bra fokus.
    8. Uncheck den rätta si knapp, och klick den fyrkant knapp inne om se/si primär pistol fönster till stopp focusen justeringen.
  4. Borttagning av ytbeläggning och kontaminering med hög ström läge/DC-läge
    1. Välj SE-bilden från rullgardinsmenyn i se/si Primary Gun -fönstret för att observera FÖRLOPPET för DC-rengöring.
    2. Markera rutan för DC i Fpanel och klicka på den svarta triangelknappen för att starta DC-rengöring.
      Obs: håll DC på i 10 s eller tills SE bilden visar guld skiktet tas bort. Varaktigheten av DC-rengöring kan variera beroende på tjock leken på beläggningen.
    3. Klicka på den svarta fyr Kants knappen för att stoppa DC rengöring när Observera guld beläggningen avlägsnas via Micro View i Navigator GUI.
    4. Växla SE-bilden till SI-bilden i Navigator GUI.
      Anmärkning: anledningen till att använda en DC-balk är att DC balken (~ 14 nA) är tillräckligt kraftfull för att ta bort au beläggning och annan ytkontaminering, medan pulsad strålen ström (~ 1 pA) är inte tillräcklig.
  5. Aktivering av ytladdningskompensationen med hjälp av en översvämnings pistol
    1. Kontrol lera Flood Gun rutan i fpanel för att aktivera laddnings kompensation.
    2. Klicka på knappen Ladda inställnings fil i fpanel. Välj den fördefinierade filen av översvämning pistol inställningar efter att ha klickat på lastning inställningar för att ladda inställningarna för översvämnings pistol.
      Obs: inställningarna för översvämning pistol inkluderar följande: energi av 20 V, en anod på 300 V, en fördröjning på 2,0 μs, en översvämning pistol glöd tråden ström av 2,4 A, och en översvämning pistol leda av 2,0 μs. Inställningarna för översvämnings pistolen kan variera för olika instrument.
    3. Upprepa steg 2.3.6-2.3.7 för att justera fokus på ROI.
      Obs: så snart au-beläggningen tas bort, kommer höjden på ROI ändras. Därför är det nödvändigt att justera fokus.
    4. Klicka på reflektorn från underfliken TOF på fliken Analyzer/main i instrument fönstret.
    5. Klicka på värdet på vänster sida av reflektorns stapel för att minska reflektorns spänning tills si-bildens runda form försvinner. Öka sedan reflektor spänningen med 20 V.
      Obs: denna process görs för att säkerställa en plan bild yta och maximala SI-signaler. I det negativa läget, öka reflektor spänningen tills den runda formen på SI bilden försvinner och sedan, ta ner 20 V.
    6. Upprepa steg 2.3.8 för att stoppa justeringen av fokus och reflektor spänningen.
  6. Förvärv av hög upplöst Mass spektrum
    1. Klicka på ikonerna för spektrum och bild i fpanel att öppna spektrum och bilder program.
    2. Visa den valda ROI av metall-måla gränssnittet i Micro View.
    3. Klicka på triangelknappen i Navigator GUI för att starta en snabb genomsökning och ett Sims-spektrum kommer att visas i spektrum programmet; Klicka på den svarta fyr kanten för att stoppa snabb skanningen.
      Obs: snabb skanningen bör bara ta flera skanningar och vanligt vis tar bara några sekunder.
    4. Välj Mass kalibrering från rullgardinsmenyn av spektrumet i verktygsfältet för spektrum programmet eller helt enkelt trycka på F3 för att få upp Mass kalibrering fönstret efter snabb skanningen är klar.
    5. Välj erkända toppar för att kalibrera Mass spektrumet genom att klicka på motsvarande toppar, lägga till formeln i Mass kalibrerings fönstret och klicka på OK för att avsluta Mass kalibrerings fönstret när topp urvalet är klart.
      Anmärkning: ch3+, C3h3+och aloh+ väljs för kalibrering av det positiva Mass spektrumet. medan OH- och CN¬ och AlO- väljs för kalibrering av det negativa Mass spektrumet. De toppar som valts för Mass kalibrering kan variera för olika prover. Avvikelsen för de valda topparna är mindre än 30 ppm för att säkerställa korrekt topp identifiering.
    6. Lägg till topparna av intressen till topp listan genom att klicka på toppen av de valda joner i spektrumet och klicka på Lägg till topp -knappen i verktygsfältet.
    7. Klicka på den röda triangelknappen i Fpanel för att öppna fönstret Start mätning .
    8. Ställ in raster typ till Random, 128 x 128 pixel, och 1 shot/pixel, ange antalet skanningar till 60 skannar i popup-fönstret och klicka på OK för att starta Mass spektrum förvärvet av ROI.
      Obs: Mass spektrum förvärvet kommer automatiskt att stoppas efter att det önskade antalet skanningar har förvärv ATS.
    9. Klicka på Spara fil i fpanelen för att spara det förvärvade Mass spektrumet och namnge det med ett angivet fil namn (t. ex. saltlösningsbehandlad, luftexponerad).
    10. Växla polariteten till negativ i fpanel och upprepa steg 2.5.3-2.6.9 för att förvärva den negativa massan spektrum för samma ROI.
      Obs: SIMS massa spektra av fyra olika ROIs av varje prov förvärvades för positiva och negativa polariteter i denna studie.
  7. Besparing av den analyserade ROI-positionen för ytterligare analys
    1. Klicka på knappen Lägg till i Navigator GUI och ange namnet på ROI i popup-fönstret (t. ex. saltlösning 1).
    2. Klicka på knappen Stage POS och klicka på OK -knappen för att spara ROI-platsen.
      ROI-positionen sparas för ytterligare bild analys av SIM-korten.
  8. Förvärv av en hög upplöst SIMS-bild
    1. Klicka på knappen Ladda inställnings fil i fpanel och välj den fördefinierade bild inställnings filen. Klicka på Öppna för att läsa in bild inställningarna.
      Anmärkning: den högsta laterala upplösningen eller den minsta punkt storleken är optimerad i kollimat läge (dvs DC-läge). I det här läget bestämmer den minsta bländaren i beamline vinkeln för bländaren. Enligt konfigurations inställningen för ToF-SIMS är den högsta laterala upplösningen när DC-strömmen är cirka 50 pA och fokus kan nå runt 100 Nm. För att uppnå denna resolution, öka linsen källa medan Observera DC ström går ner, och optimera X blanking och Y blanking tills den slutliga DC strömmen når 50 pA. Nedan listas de detaljerade parameter inställningarna för bild tagnings läget. Bi3+ är vald som primär Jon stråle. LMIG-energin är inställd på 25 kV. Den LIMG Chopper bredd är inställd på 100 ns och Chopper offset är inställd på 30,9 ns. De andra inställningarna inkluderar en emissions ström på 1,0 μA; värmevärdet är 2,75 A; suppressor cirka 800-1000 V; fläkten 10 kV; linsen källa 3,5 kV; cykeltid 100 μs; massan spänner 1-870 u.
    2. Välj Lmig i popup- kategorierna för att ladda fönster.
    3. Upprepa steg 2.2.7-2.2.14 för att mäta mål strömmen och justera Jon strålen.
      Obs: den önskade mål strömmen i bild tagnings läget bör vara större än 0,6 na eller cirka 1 pa om bi3+ väljs för mätning.
    4. Välj den sparade ROI-positionen i list rutan för markör positionen i Navigator GUI. Klicka på gå.
      Obs: detta steg säkerställer att Mass spektrum och bild mappning förvärvas från samma ROI.
    5. Upprepa steg 2.5.4 och 2.5.5 för att justera reflektor spänningen.
    6. Upprepa steg 2.6.3-2.6.6 för att utföra Mass kalibreringen i bild tagnings läget.
      Obs: om program varan inte kan registrera de valda topparna när du gör Mass kalibrering, markera rutan Använd vald kanal i fönstret Mass kalibrering .
    7. Upprepa steg 2.6.7 och 2.6.8 för att samla in bilddata.
      Anmärkningar: i Imaging-läge, ange raster typ till slumpmässiga, 256 x 256 pixel, och 1 shot/pixel, ställa in antalet skanningar till 150 skannar och klicka på OK för att starta bilden förvärvet av ROI. Bild upplösningen och skanningen kan vara olika och de bör bestämmas beroende på provet.
  9. Hämtning av provet från vakuum kammaren
    1. Välj överföring från List rutan för markör positionen i Navigator GUI och klicka på Go -knappen för att ta prov scenen nära grinden.
    2. Öppna grinden genom att upprepa steg 2.1.6.
    3. Skjut in prov överförings armen i huvud kammaren och vrid arm stången medurs och framåt tills den fäster på prov hållarens stift.
    4. Vrid överförings armen bakåt och dra tillbaka den hela vägen.
    5. Stäng grinden genom att klicka på knappen Stäng på fpanel och välj ingen prov hållare i popup-fönstret Välj prov hållare .
    6. Skruva loss lås skruven på luckan till last låset och klicka på knappen stopp i fpanelen för att ventilera last låset.
      Obs: avluftning tar cirka 3-5 min.
    7. Sväng överförings armen åt höger och vrid överförings Arms staven moturs för att frigöra prov hållaren.
    8. Sväng överförings armen bakåt och dra åt lås skruven på luckan till last låset.
    9. Klicka på Start -knappen i fpanel för att pumpa ner last låset.
    10. Ta bort metall-måla gränssnitt harts församling från prov hållaren och placera dem i en ren petriskål.
  10. Stänga av LIMG
    1. Klicka på stoppa lmig från underfliken under fliken lmig i instrument fönstret.
    2. Avmarkera rutorna för Lmig och översvämning Gun i fpanel och avmarkera rutan för belysning i Power -fönstret.

3. analys av ToF-SIMS-data

  1. Export av data från SIMS-spektrum
    1. Klicka på Arkiv i verktygsfältet i fönstret spektrum program och välj Exportera i list rutan.
    2. Namnge spektrum filen, spara den i den angivna mappen som en. txt-fil och klicka på OK.
    3. Ange nummer 10 i popup-fönstret för att definiera Binning-kanalen och klicka på OK.
      Obs: Binning 10 kanaler innan du exporterar massan spektra är en vanligt förekommande metod för att minska data storleken samtidigt behålla Mass upplösning och noggrannhet.
    4. Exportera SIMS-bilddata.
    5. Klicka på bild program ikonen och dubbelklicka på de förvärvade bildfilerna för att Visa Sims-bilderna.
    6. Dra bilden av en specifik kemisk art från listan till bild visnings fönstret och dubbelklicka på bilden för att öppna bild process fönstret nedan.
    7. Normalisera bilden av den valda kemiska arten till bilder av totala joner genom att välja normalisera från den nedrullningsbara listan i fönstret bild processen.
    8. Använd samma färg skala för att jämföra den kemiska fördelningen mellan olika prover genom att justera färg skalan i bild process fönstret.
      Obs: rå data för bilderna kan exporteras och ritas med hjälp av annan grafisk program vara.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 3 visar jämförelsen av massa spektra mellan det metall färgs gränssnitt som behandlats med saltlösning och det gränssnitt som utsätts för luft. Massan spektra av de två proverna förvärvades med hjälp av en 25 kV bi3+ Jon stråle skanning i 300 μm x 300 μm Rois. Mass upplösningen (m/∆ m) av det saltlösningsbehandlade provet var ungefär 5 600 vid toppen av m/z- 26. Rå data av samlasspektrat exporterades efter Binning 10 kanaliserar. En grafisk program vara tillämpades för att rita massan spektra för presentation. Det är känt att de skyddande lagren som innehåller Al (OH)3 bildas efter att Al korrosion börjar6. Oxid (Al3o5-) och oxyhydroxidarter (Al2o4h-, Al2o5h3-, Al3o6H2-) av Al (OH)3 fragment7 observerades i metall färgs gränssnittet för den Saltlösningsexponerade Al-kupongen (figur 3a) och var mer framträdande jämfört med samma toppar i det luftexponerade provet (figur 3b ). Detta indikerar att Al-kupongen som exponerades till den salt lösningen hade upplevt mer allvarlig korrosion jämfört till den lufta-utsatt en. Resultatet är förenligt med den kända kunskapen om att lösningar som innehåller salter, såsom havs vatten, är kemiskt aggressiva och bidrar till korrosions processen av en Al-legering.

Figur 4 visar 2D-molekyl ära bilder av utvalda Al-arter m/z- 161 Al3o5- och 179 Al3o6H2- förvärvade från Metal-Paint-gränssnittet som behandlats med en saltlösning ( Figur 4a) och det gränssnitt som utsätts för luft (figur 4b). De avbildade jonintensiteter av m/z- 161 och 179 var båda normaliserade till intensiteter av totala joner. Bilderna av samma topp justerades till den identiska färg skalan. Bilderna erhölls från 100 skannar av 256 x 256 pixlar av 300 μm x 300 μm ROI. 2D-bilderna ger distributionen av de kemiska arterna i Al-korrosionsprodukterna i två olika prover. Topparna m/z- 161 och 179 var vanligare i metall färgs gränssnittet som behandlades med saltlösningen och uppvisade starkare intensiteter än de som visades i det luftexponerade provet. Detta resultat överensstämmer med resultaten av Mass spektra och visar ytterligare ToF-SIMS analytiska förmåga till kemisk identifiering och molekylär avbildning.

Figure 1
Figur 1 : Bilder som visar den metall-Paint gränssnitt förberedelse processen. Figur 1 skildrar förberedelse processen för metall lackering. Efter Al kuponger fastställdes i epoxiharts (a), var de besprutas med den kommersiella färg produkten och som för 24 h tills de var helt torra (b). Fyra linjer var skrivna på färgen ovanpå Al Kupong cylindrar (c). De snidade Al Kupong cylindrar utsattes för luft eller en saltlösning i 3 veckor i petriskålar (d). Al Kupong cylindrar klipptes och trimmas för att exponera metall-måla gränssnitt (e) och belagda med guld lager före TOF-Sims analys (f). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2 : Den schematiska av den metall-Paint Interface analys av TOF-Sims och ett foto av IONTOF V instrumentet. Figur 2 illustrerar analys processen av metalllackeringsgränssnittet med TOF-Sims. Metal-Paint Interface (a) bombarderas av en bi3+ primär Jon stråle och genererade sekundära joner, vilket resulterar i massa Spectra (b) och en Sims bild (c). ToF-SIMS V-instrumentet (d) som används för den metall färgs analys som beskrivs i detta arbete visas. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3 : Jämförelse av massa spektra av metall-måla gränssnitt av Al kuponger. Figuren visar spektralskillnaden mellan det gränssnitt som behandlats med en saltlösning och det som behandlades med luft. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4 : Molekyl ära bilder av kemiska arter vid metall-måla gränssnitt av Al kuponger. Denna jämförelse visar skillnaden i 2D-distribution av arter bildade i korrosion genom saltlösning och med luft. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ToF-SIMS gör åtskillnad mellan jonerna beroende på deras flyg tid mellan två scintillatorer. Topografin eller prov ojämnheten påverkar flyg tiden av jonerna från olik start placerar, som leder vanligt till ett fattigt samlas upplösning med en ökande bredd av toppar. Därför är det viktigt att ROIs analyseras är mycket platt, för att säkerställa bra signal insamling8.

En annan fallgrop att undvika är laddning. Eftersom Al-Paint gränssnittet var fast med isolerande harts, var laddning väntat. Laddningen ackumuleras på prov ytan eftersom ROI bombarderas med den primära Jon strålen, vilket påverkar de kinetiska energierna hos joner som avges från ytan. Laddningen resulterar i breda toppar och en minskad Mass upplösning. För att undvika den negativa påverkan av denna effekt, var 10 nm guld sputtrade på gränssnittet ytan för att bilda den ledande vägen före SIMS-analys. Andra metoder kan användas för att minska laddnings effekten, inklusive att tillämpa översvämnings pistolen, optimera spänningen i reflektorn, och välja slumpmässigt läge som balk raster mönstret. Översvämnings vapnet genererar en stabil elektron ström med låg energi. Den används ofta för avgifts kompensation under Sims-analysen9,10,11. Dessutom måste spänningen i reflektorn, en jonoptik som förstärker Mass upplösningen, justeras, beroende på graden av laddning. ToF-SIMS-programvaran är ett effektivt sätt att optimera reflexen så som beskrivs i steg 2.5.5 i protokollet. Valet av slumpmässigt läge som balk raster mönstret innan du skaffar Sims-data minskar ytterligare laddnings effekten. Detta läge mildrar problemet som uppstår i rad-för-rad skannings läge, så att den ackumulerade laddningen mer tid att skingra9,11.

TOF-Sims kan utrustas med flera Jon källor, inklusive-men inte begränsat till-cs+, C60+och bin+. Polyatomära Jon källor (t. ex. bi3+ och C60+) ger högre avkastning på sekundära joner som avges från prov ytan jämfört med Atom Jon strålar (t. ex. cs+ och bi1+)12 ,13. Dessutom, jämföra bi3+ till C60+, bi3+ är mer ytkänslig för låg massa fragment och därmed har en högre lateral upplösning med bättre bilder12. Därför valdes bi3+ som analys balk i detta arbete eftersom vi fokuserade på de låga massa toppar relaterade till aluminium korrosions arter.

ToF-SIMS är en känslig Ytteknik som kan ge kemisk specificitet med en hög rumslig upplösning14. Andra ytverktyg tillämpade i korrosions studier inkluderar XPS och SEM/EDX2,15,16,17. XPS kan tillhandahålla kvantitativa mätningar av det kemiska tillståndet och det elektroniska tillståndet för de element som finns i ett prov men med en högre LOD (0,1%) än Sims (delar per miljard delar per miljon nivå)18,19. SEM/EDX är inte lika känsligt som ToF-SIMS, även om SEM ofta används för att få morfologiska egenskaper hos ytor. Dessutom gör den kemiska kart läggningen av SIMS det möjligt att visualisera den molekyl ära Jon fördelningen vid korrosions gränssnittet, medan SEM/EDX endast ger elementär Jon mappning. Därför är SIMMARNAS molekyl ära kart läggning mer informativ när det gäller att utreda den interansiktskorrosionsprocessen.

Detta arbete visar att ToF-SIMS är ett kraftfullt verktyg för att dechiffrera korrosions art bildning på gränssnittet på grund av dess låga LOD, hög Mass upplösning, och hög rumslig upplösning. Dessutom erbjuder SIMS multimodala mikroanalyser, som kan hänföras till dess kvasi-förstörande natur. Således kan samma prov analyseras med andra analytiska verktyg och ge omfattande information. I ideal fallet kan integrationen av SIMS, XPS och SEM ge mer omfattande insikter om korrosions beteende vid metall färgs gränssnittet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete finansierades av QuickStarter program som stöds av Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). PNNL drivs av Battelle för USA DOE. Detta arbete utfördes med hjälp av IONTOF ToF-SIMS V, som ligger i den biologiska vetenskaper Facility (BSF) på PNNL. JY och X-Y Yu erkände också stöd från Atmosfärvetenskaperna & global change (ASGC) division och fysikalisk-och beräknings vetenskap direktoratet (PCSD) på PNNL

Materials

Name Company Catalog Number Comments
0.05 µm Colloidal Silica polishing Solution LECO 812-121-300 Final polishing solution
1 µm polishing solution Pace Technologies PC-1001-GLB Water based polishing solution
15 µm polishing solution Pace Technologies PC-1015-GLBR Water based polishing solution
3 µm polishing solution Pace Technologies PC-1003-GLG Water based polishing solution
6 µm polishing solution Pace Technologies PC-1006-GLY Water based polishing solution
Balance Mettler Toledo 11106015 It is used for measuring the chemicals.
Epothin 2 epoxy hardener Buehler 20-3442-064 Used for casting sample mounts
Epothin 2 epoxy resin Buehler 20-3440-128 Used for casting sample mounts
Fast protein liquid chromatography (FPLC) conductivity sensor Amersham  AKTA FPLC Used to measure the conductivity of the salt solution.
Final B pad Allied 90-150-235 Used for 1 µm and 0.05 µm  polishing steps
KCl  Sigma-Aldrich P9333 Used to make the salt solution.
Low speed saw Buehler Isomet 11-1280-160 Used to cut the Al coupons that are fixed in the epoxy resin.
MgCl2 Sigma-Aldrich 63042 Used to make the salt solution.
MgSO4 Sigma-Aldrich M7506 It is used to make the salt solution.
NaCl Sigma-Aldrich S7653 It is used to make the salt solution.
NaOH Sigma-Aldrich 306576 It is used for adjusting pH of the salt solution.
Paint Rust-Oleum  245217 Universal General Purpose Gloss Black Hammered Spray Paint. It is used to spray on the Al coupons. 
Pan-W polishing pad LECO 809-505 Used for 15, 6, and 3 µm polishing steps
pH meter Fisher Scientific 13-636-AP72 It is used for measuring the pH of the salt solution.
Pipette  Thermo Fisher  Scientific  Range: 10 to 1,000 µL
Pipette tip 1 Neptune  2112.96.BS  1,000 µL
Pipette tip 2 Rainin 17001865 20 µL
Silicon carbide paper LECO 810-251-PRM Grinding paper, 240 grit
Sputter coater Cressington 108 sputter coater It is used for coating the sample.  
Tegramin-30 Semi-automatic polisher Struers 6036127 Coarse/fine polishing/grinding
ToF-SIMS IONTOF GmbH, Münster, Germany ToF-SIMS V, equipped with Bi liquid metal ion gun and flood gun It is used to acquire mass spectra and images of a specimen.
Vibromet 2 vibratory polisher Buehler 67-1635-160 Final polishing step

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Szklarska-Smialowska, Z. Pitting corrosion of aluminum. Corrosion Science. 41, 1743-1767 (1999).
  2. Liu, M., et al. A first quantitative XPS study of the surface films formed, by exposure to water on Mg and on the Mg-Al intermetallics: Al3Mg2 and Mg17Al12. Corrosion Science. 51 (5), 1115-1127 (2009).
  3. Linford, M. R. An introduction to time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). Vacuum Technology & Coating. , (2014).
  4. Cushman, C., et al. A pictorial view of LEIS and ToF-SIMS instrumentation. Vacuum Technology & Coating. , 27-35 (2016).
  5. Soler, L., et al. Hydrogen generation by aluminum corrosion in seawater promoted by suspensions of aluminum hydroxide. International Journal of Hydrogen Energy. 34 (20), 8511-8518 (2009).
  6. Ahmad, Z., Abdul Aleem, B. J. Degradation of aluminum metal matrix composites in salt water and its control. Materials & Design. 23 (2), 173-180 (2002).
  7. Verdier, S., Metson, J. B., Dunlop, H. M. Static SIMS studies of the oxides and hydroxides of aluminium. Journal of Mass Spectrometry. 42 (1), 11-19 (2007).
  8. Esmaily, M., et al. A ToF-SIMS investigation of the corrosion behavior of Mg alloy AM50 in atmospheric environments. Applied Surface Science. 360, 98-106 (2016).
  9. Hunt, C. P., Stoddart, C. T. H., Seah, M. P. The surface analysis of insulators by SIMS: Charge neutralization and stabilization of the surface potential. Surface and Interface Analysis. 3 (4), 157-160 (1981).
  10. Stingeder, G. Quantitative distribution analysis of B, As and Sb in the layer system SiO2/Si with SIMS: elimination of matrix and charging effects. Fresenius' Zeitschrift für analytische Chemie. 327 (2), 225-232 (1987).
  11. Cushman, C., et al. Sample Charging in ToF-SIMS: How it Affects the Data that are Collected and How to Reduce it. Vacuum Technology & Coating. , (2018).
  12. Dubey, M., Brison, J., Grainger, D. W., Castner, D. G. Comparison of Bi(1), Bi(3) and C(60) primary ion sources for ToF-SIMS imaging of patterned protein samples. Surface and Interface Analysis: SIA. 43 (1-2), 261-264 (2011).
  13. Kozole, J., Winograd, N. Cluster Secondary Ion Mass Spectrometry. Surface Analysis and Techniques in Biology. Smentkowski, V. S. , Springer International Publishing. Cham, Heidelberg, New York, Dordrecht, London. 71-98 (2014).
  14. Tyler, B. J., Rayal, G., Castner, D. G. Multivariate analysis strategies for processing ToF-SIMS images of biomaterials. Biomaterials. 28 (15), 2412-2423 (2007).
  15. Song, W., et al. Corrosion behaviour of extruded AM30 magnesium alloy under salt-spray and immersion environments. Corrosion Science. 78, 353-368 (2014).
  16. Esmaily, M., et al. On the capability of in-situ exposure in an environmental scanning electron microscope for investigating the atmospheric corrosion of magnesium. Ultramicroscopy. 153, 45-54 (2015).
  17. Liao, J., Hotta, M., Motoda, S. -i, Shinohara, T. Atmospheric corrosion of two field-exposed AZ31B magnesium alloys with different grain size. Corrosion Science. 71, 53-61 (2013).
  18. deVries, J. E. Surface characterization methods- XPS,TOF-SIMS, and SAM a complimentary ensemble of tools. Journal of Materials Engineering and Performance. 7 (3), 303-311 (1998).
  19. Zhang, H. Surface characterization techniques for polyurethane biomaterials. Advances in Polyurethane Biomaterials. Cooper, S. L., Guan, J. , Woodhead Publishing. 23-73 (2016).

Tags

Kemi ToF-SIMS aluminium metall-lack gränssnitt korrosion detektions gräns (LOD) massa spektra 2D Imaging
Imaging korrosion vid metal-Paint Interface använda Time-of-Flight sekundär Jon masspektrometri
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Yao, J., Guzman, A., Zhu, Z., Yu, X. … More

Yao, J., Guzman, A., Zhu, Z., Yu, X. Y. Imaging Corrosion at the Metal-Paint Interface Using Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry. J. Vis. Exp. (147), e59523, doi:10.3791/59523 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter