Login processing...

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

Chemistry

Imaging korrosion på metal-Paint interface brug Time-of-Flight sekundær ion massespektrometri

doi: 10.3791/59523 Published: May 6, 2019

Summary

Time-of-Flight sekundær ion massespektrometri påføres for at demonstrere den kemiske kortlægnings-og korrosions morfologi ved metal lakerings grænsefladen i en aluminiumslegering efter at være blevet udsat for en saltopløsning sammenlignet med en prøve, der er udsat for luft.

Abstract

Korrosion udviklet ved maling og aluminium (al) metal-maling interface af en aluminium legering analyseres ved hjælp af Time-of-Flight sekundær ion massespektrometri (ToF-SIMS), der illustrerer, at SIMS er en passende teknik til at studere den kemiske distribution på et metal-maling interface. De malede al-legerings kuponer er nedsænket i en saltopløsning eller kun udsat for luft. SIMS giver kemisk kortlægning og 2D molekylær billeddannelse af grænsefladen, hvilket giver direkte visualisering af morfologien af korrosionsprodukter dannet ved metal-maling interface og kortlægning af kemikaliet efter korrosion opstår. Den eksperimentelle procedure af denne metode er præsenteret for at give tekniske detaljer for at lette lignende forskning og fremhæve faldgruber, der kan opstå under sådanne eksperimenter.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Al legeringer har brede anvendelser i ingeniør konstruktioner, såsom i marineteknologi eller militær Automotive, der kan henføres til deres høje styrke-til-vægt forhold, fremragende formbarhed, og modstandsdygtighed over for korrosion. Lokaliseret korrosion af al-legeringer er dog stadig et almindeligt fænomen, der påvirker deres langsigtede pålidelighed, holdbarhed og integritet under forskellige miljøforhold1. Maling belægning er den mest almindelige middel til at forhindre korrosion. Illustration af korrosion udviklet ved grænsefladen mellem metal og maling belægning kan give indsigt i fastlæggelsen af passende middel til korrosions forebyggelse.

Korrosion af al-legeringer kan finde sted via flere forskellige veje. Røntgen fotoelektron spektroskopi (XPS) og scanning elektronmikroskopi/energi-dispersive X-ray spektroskopi (SEM/EDX) er to almindeligt anvendte overflade mikroanalysemetoder til undersøgelse af korrosion. XPS kan give elementært kortlægning, men ikke en holistisk Molekylær visning af overfladens kemiske oplysninger2,3, mens SEM/EDX giver morfologiske oplysninger og elementært kortlægning, men med relativ lav følsomhed.

ToF-SIMS er et andet overflade værktøj til kemisk kortlægning med høj masse nøjagtighed og lateral opløsning. Den har en lav detektionsgrænse (LOD) og er i stand til at afsløre fordelingen af korrosions arterne dannet ved metal maling-grænsefladen. SIMS-masse opløsningen kan typisk nå 5000-15000, hvilket er tilstrækkeligt til at skelne mellem isoboner4. Med sin submikron rumlige opløsning, kan ToF-Sims kemisk billede og karakterisere metal-maling interface. Det giver ikke kun morfologiske oplysninger, men også den laterale fordeling af molekylære korrosion arter på toppen få nanometer af overfladen. ToF-SIMS tilbyder supplerende oplysninger til XPS og SEM/EDX.

For at demonstrere muligheden af ToF-SIMS i overflade karakterisering og billeddannelse af korrosions grænsefladen, analyseres to malede al-legerings Kuponer (7075), hvoraf den ene udsættes for luft og en til en saltopløsning (figur 1 og figur 2). Forståelse af korrosion adfærd på metal-maling interface udsat for saltvand tilstand er afgørende for at forstå udførelsen af al legering i et havmiljø, for eksempel. Det er kendt, at dannelsen af al (OH)3 opstår under al's udsættelse for havvand5, men studiet af al korrosion stadig mangler omfattende Molekylær identifikation af korrosion og belægning interface. I denne undersøgelse observeres og identificeres fragmenter af al (Oh)3, herunder al-oxider (f. eks. al3o5-) og oxyhydroxiarter (f. eks. al3o6H2-). Sammenligninger af Sims Mass spektre (figur 3) og molekylære billeder(figur 4) af de negative ioner al3o5- og al3o6H2- giver den molekylære tegn på korrosionsprodukter dannet ved metal-maling grænsefladen af saltopløsning-behandlet al legerings kupon. SIMS giver mulighed for at belyse den komplicerede kemi, der opstår ved metal maling-grænsefladen, som kan hjælpe med at kaste lys over overflade behandlingers effekt i al-legeringer. I denne detaljerede protokol demonstrerer vi denne effektive tilgang til at undersøge metal maling-grænsefladen for at hjælpe nye behandlere i korrosions forskning ved hjælp af ToF-SIMS.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. forberedelse af korrosions prøver

  1. Al prøve fiksation i harpiks og polering
    1. Monter to al-legerings Kuponer (1 cm x 1 cm) ved hjælp af epoxyharpiks i 1,25 tommer metallografiske prøve kopper og læg kuponerne i stinkhætten natten over eller indtil harpiksen er helt helbredt.
    2. Tag al harpiks cylinder kopper ud af prøve Kopperne. Polere al-harpiks cylindrene ved hjælp af 240 grus papir med vand på en 300 RPM Platen/150 rpm i holderen i 1 min.
    3. Polere al-harpiks cylindrene ved hjælp af polerings pladen med 15 μm, 6 μm, 3 μm og 1 μm vandbaseret opløsning i 5 min (hvert trin) sekventielt.
    4. Skyl al-harpiks cylindrene med deioniseret vand (DI) og buff dem med bomuld.
    5. Skyl al-harpiks cylindrene igen med ethanol, og anbring dem i den kemiske stinkhætte, indtil de er tørre.
      Bemærk: Alternativt kan prøven tørres med trykluft eller nitrogen.
  2. Klargøring af al-korrosionsprøven
    1. Sprøjt den sorte maling 2x på hver al-harpiks cylinder, og lad dem stå i stinkhætten i 24 timer. Malingen er ca. 100 μm tyk.
      Bemærk: malingen er et kommercielt produkt med primer blandet i en flaske. Det er hurtig tørring og rustforebyggende.
    2. Grave fire parallelle linjer (5-6 mm lang) lige ned på toppen af hver malet al harpiks cylinder ved hjælp af skalpels. Placer linjerne i midten af al-legeringerne.
    3. En al-harpiks cylinder nedsænkes i en pH 8,3-saltopløsning, der indeholder NaCl, MgSO4, mgcl2og KCl, med den skriberede overflade nedad. Dæk delvist 10 cm x 10 cm Petri skålen med låget.
      Bemærk: saltopløsningen er fremstillet af 465 mM NaCl, 28 mM MgSO4, 25 mm mgcl2og 3 mm KCl i 50 ml di vand, justeret med 0,1 M NaOH for at nå ca. pH 8,3. Opløsningen indeholder hoved ioner i havvand. Salt opløsningens ledningsevne er ca. 5,5 S/m. Opløsningens temperatur er 72 °F.
    4. Anbring den anden al-harpiks cylinder med den indskrevne overflade i en ren Petri skål, og dæk den med låget. Opbevar begge prøver i den kemiske stinkhætte i 3 uger.
  3. Eksponering af korrosions grænsefladen og montering af grænsefladen i harpiks
    1. Skær hver al harpiks cylinder i to halvdele ved hjælp af en lavhastigheds sav med et diamant blad, vinkelret på midten af de markerede linjer, og trim den overskydende harpiks kant.
    2. Monter alle de trimmede al-legerede stykker i en 2 tommer prøve kop og danne en samling ved at placere al legeret stykker langs en cirkel, med metal-maling interface opad. Plads ud hver al legering stykke.
    3. Gentag trin 1.1.2-1.1.3.
    4. Yderligere polere metal-maling tværsnit i en vibrerende poler fastgjort til en 2 lbs vægt ved hjælp af 0,05 μm kolloid silica opløsning på en polering pad for 4 h.
    5. Gentag trin 1.1.4-1.1.5
      Bemærk: fikserings-og polerings arbejdet er vigtigt for at erhverve tilstrækkelige SIMS-signaler, fordi en upoleret overflade vil føre til lave intensiteter af sekundære ioner signaler og en dårlig masse opløsning under SIMS-analyse.
  4. Belægning af prøven med en sputter Coater
    1. Sæt den polerede metal-maling interface samling i sputter Coater kammer med interface side op. Luk låget på den sputter-Coater, og start med at pumpekammeret ned.
    2. Følg den regelmæssige sputter Coater procedure og deponere et 10 nm guld (AU) lag på metal-maling interface samling.
      Bemærk: Formålet med denne overfladebehandling af prøven er at reducere opladnings effekten under SIMS-analysen. Hvis prøven er konduktivt, er dette trin ikke nødvendigt.

2. analyse af metal-maling korrosion interface ved hjælp af ToF-SIMS

  1. Indlæsning af prøverne i ToF-SIMS
    1. Monter metal lakerings grænsefladen, der indeholder den saltopløsning-behandlede prøve, og den luft udsatte kontrol på topmount -prøveholderen ved hjælp af skruer og clips.
      Bemærk: topmount er navnet på den prøveholder, der holder prøven på toppen af prøveholderen.
    2. Skru låseskruen på last låsnings lågen af, og klik på knappen stopfpanel -vinduet i ToF-Sims-softwarens grafiske brugergrænseflade (GUI) for at udlufte last-Lock kammeret.
    3. Åbn last låsens kammer ved at svinge prøve overføringsarmen til højre, drej overføringsarmen mod uret, indtil den fastgøres til prøveholderen til topmount -prøven, og Vend den derefter tilbage.
    4. Sving overføringsarmen tilbage for at lukke lågen til belastnings låsen, og stram låseskruen på døren for at forsegle last låsen.
    5. Klik på knappen Start på fpanel vinduet for at pumpe last-Lock kammeret indtil det når ~ 1.0 e-6 mbar eller derunder.
    6. Klik på knappen Åbn i fpanel vinduet for at åbne porten mellem hoved kammeret og belastnings låsen.
    7. Skub prøve overføringsarmen, der er fastgjort med prøveholderen, ind i hoved kammeret. Drej overføringsarmen mod uret, indtil prøveholderen overføres til prøvestadiet i hoved kammeret.
    8. Træk overføringsarmen tilbage igen, og klik på knappen Luk på fpanel-vinduet for at lukke porten mellem hoved kammeret og belastnings låsen.
    9. Vælg topmount. Shi i rullemenuen i pop op-vinduet skal du vælge eksempel holderenog klikke på OK. Billedet af topmount -prøveholderen vises i højre side af Navigator GUI.
    10. Vent, indtil vakuumniveauet i hoved kammeret når mindst 1,0 E-8 mbar eller derunder.
  2. Start af flydende metalionpistolen (LMIG) og justering af ionstrålen
    1. Kontroller boksene til Limg, Analyzerog belysning i Power Control -vinduet for at tænde for flydende metalionpistolen (limg), analysatoren og lyskilden, efter at prøverne er overført til hoved vakuumkammeret.
    2. Marker afkrydsningsfeltet for Lmig , der vises på fpanel-vinduet for at aktivere lmig-indstillingsfanen. Klik på Start lmig fra under fanen kilde under fanen limg i instrument vinduet for at aktivere lmig.
    3. Vælg den foruddefinerede fil med massespektrometri-indstillinger i pop op-vinduet under Indlæs indstillinger , og klik på Åbn.
      Bemærk: bi3+ er valgt som den primære ionstråle. LMIG-energien er indstillet til 25 kV. LIMG chopper bredden er indstillet til 25 ns. De øvrige indstillinger, herunder emissions strøm 1,0 μA; varmeværdien er 2,75 A; suppressor ca. 800-1000 V; emhætte 10 kV; linse kilden 3,3 kV; cyklustiden 100 μs; masseintervallet 1-870 u. Indstillingerne kan variere afhængigt af instrumentmodel, den resterende levetid for LMIG, og erhvervelse krav til specifikke prøver.
    4. Vælg Lmig i pop op-vinduet i kategorier , der skal indlæses, klik på den valgte knap, og klik på OK.
      Bemærk: det tager ca. 5 minutter at starte LIMG helt.
    5. Vælg positiv i rullemenuen for instrument opsætningen i fpanelet for at bestemme de ioner, der skal detekteres.
      Bemærk: Vælg negativ i rullemenuen, hvis negative ioner skal måles.
    6. Vælg den foruddefinerede fil for analyse indstillingerne, når du har klikket på knappen for indlæsning af indstillinger i fpanel for at aktivere analysatoren.
      Bemærk: analysatoren acceleration er indstillet til 9,5 kV; analysatoren energi er sat til 2 kV; detektoren er indstillet til 9 kV. Analysatoren indstillinger kan variere på grund af konfigurationen af forskellige SIMS-modeller.
    7. Vælg Faraday Cup i rullemenuen for markørens position i Navigator GUI. Klik på for at flytte scenen til Faraday Cup.
      Bemærk: Flyt scenen til Faraday-koppen for at få den aktuelle målmåling.
    8. Vælg Micro View fra drop-down listen over video i Navigator GUI for at se positionen af Faraday Cup.
    9. Klik på midten af Faraday Cup under Micro View i Navigator GUI og vælg drive til markeret position fra drop-down menuen efter højreklikke på Se/si Primary Gun- vinduet i Navigator Gui.
    10. Vælg 20 μm x 20 μm fra drop-down menuen for Angiv raster synsfelt efter Højreklik på Se/si Primary Gun -vinduet i Navigator GUI.
    11. Klik på knappen C fra pistol under fanen under fanen limg i instrument vinduet for at justere ionstrålen automatisk.
    12. Klik på knappen Start , og Markér afkrydsningsfeltet for DC fra Pulsing -under fanen under lmig -fanen for at måle målstrømmen.
    13. Klik på X blanking fra fokus under fanen under limg fanebladet og drej musehjulet for at maksimere målet strøm. Klik på Y blanking fra samme fane for at maksimere målstrømmen.
      Bemærk: den målstrøm af ionstrålen, der måles under massespektrometri, skal være større end 14 na eller større end 0,5 PA, hvis bi3+ er valgt, for at opnå den ønskede intensitet af ionsignaler.
    14. Klik på knappen stop fra fokus under fanen for at standse målingen af målstrømmen.
  3. Justering af stråle fokus i området af interesse
    1. Tryk på Z -knappen på joystickets Kontrolpanel, og skub joysticket op for at sænke prøvestadiet, indtil emhætte keglen er over toppen af metal-maling-interface samlingen.
      Bemærk: det er afgørende at undgå en kollision mellem emhætte keglen og prøverne, når du udfører dette trin.
    2. Tryk på X -og Y -knapperne på joysticket, og Flyt joysticket til venstre/højre og op/ned for at bringe grænseflade samlingen til den vises i makro visningen i Navigator GUI.
    3. Skift til Micro View i Navigator GUI for at finde den region af interesse (ROI) af metal-Paint interface.
    4. Indstil ROI til 300 μm x 300 μm efter Højreklik på det primære Gun-vindue for Se/si for at udvide feltet i visningen.
    5. Vælg signaltype si, raster størrelse 128 x 128 pixel, og raster type tilfældig fra Se/si primære pistol i Navigator GUI.
    6. Klik på den sorte trekant knap og Juster si -knappen i Se/si Primary Gun -vinduet. Den runde form af den sekundære ion (SI) billede af ROI vil blive vist i Se/si Primary Gun vindue.
    7. Tryk på Z -knappen på joystickets Kontrolpanel. Bevæg joysticket op eller ned for at bringe den runde form af SI-billedet til midten af krydshåret i Se/si Primary Gun -vinduet.
      Bemærk: Hvis krydshåret er i midten af den runde form af SI billede, det indikerer, at billedet er opnået med godt fokus.
    8. Fjern markeringen af knappen Juster si , og klik på den firkantede knap i Se/si Primary Gun -vinduet for at stoppe fokus justeringen.
  4. Fjernelse af overfladebelægning og kontaminering ved hjælp af den høje strømtilstand/DC-tilstand
    1. Vælg SE-billedet i drop-down menuen i Se/si Primary Gun- vinduet for at observere DC-rengørings forløbet.
    2. Markér feltet med DC i Fpanel og klik på den sorte trekant knap for at starte DC rengøring.
      Bemærk: hold DC tændt i 10 s, eller indtil SE-billedet indikerer, at guld laget er fjernet. Varigheden af DC-rengøringen kan variere afhængigt af belægningens tykkelse.
    3. Klik på den sorte firkant knap for at stoppe DC rengøring, når observere guldbelægning fjernes via Micro View i Navigator GUI.
    4. Skift SE-billedet til SI-billedet i Navigator GUI.
      Bemærk: årsagen til at bruge en JÆVNSTRØMS stråle er, at DC-strålen (~ 14 nA) er kraftig nok til at fjerne AU-belægningen og anden overfladekontaminering, mens den pulserende stråle strøm (~ 1 pA) ikke er tilstrækkelig.
  5. Aktivering af overflade afgift kompensation ved hjælp af en oversvømmelse pistol
    1. Check The Flood Gun boks i fpanel for at aktivere opladning kompensation.
    2. Klik på knappen Indlæs indstillingsfilen i fpanel. Vælg den foruddefinerede fil af Flood Gun indstillinger efter at have klikket på indlæsning indstillinger for at indlæse indstillingerne for den oversvømmelse pistol.
      Bemærk: indstillingerne for oversvømmelsen pistol omfatter følgende: energi på 20 V, en anode af 300 V, en forsinkelse på 2,0 μs, en oversvømmelse pistol filament strøm af 2,4 A, og en oversvømmelse pistol bly ud af 2,0 μs. Indstillingerne for oversvømmelses pistolen kan variere for forskellige instrumenter.
    3. Gentag trin 2.3.6-2.3.7 for at justere fokus på ROI.
      Bemærk: så snart AU-belægningen er fjernet, vil højden af ROI ændre sig. Derfor er det nødvendigt at justere fokus.
    4. Klik på reflektoren fra fanen TOF under fanen analysator/hoved i instrument vinduet.
    5. Klik på værdien i venstre side af reflektorens bjælke for at formindske reflektorens spænding, indtil si-billedets runde form forsvinder. Øg derefter reflektor spændingen med 20 V.
      Bemærk: denne proces er gjort for at sikre en flad billed overflade og maksimale SI signaler. I negativ tilstand, øge reflektoren spænding indtil den runde form af SI billedet forsvinder, og derefter, bringe det ned 20 V.
    6. Gentag trin 2.3.8 for at standse fokus-og reflektor spændings justeringen.
  6. Erhvervelse af masse spektret i høj opløsning
    1. Klik på ikonerne for spektret og billede i fpanel at åbne spektret og billeder programmer.
    2. Vis det valgte ROI for metal-maling-grænsefladen i Micro View.
    3. Klik på trekant knappen i Navigator GUI for at starte en hurtig scanning, og et Sims-spektrum vil blive vist i frekvens programmet. Klik på den sorte firkant for at stoppe den hurtige scanning.
      Bemærk: den hurtige scanning bør kun tage flere scanninger og tager normalt kun et par sekunder.
    4. Vælg masse kalibrering fra rullelisten for spektret på værktøjslinjen i frekvens programmet, eller tryk blot på F3 for at åbne masse kalibrerings vinduet, når den hurtige scanning er fuldført.
    5. Vælg anerkendte toppe for at kalibrere masse spektret ved at klikke på de tilsvarende toppe, Tilføj formlen i masse kalibrerings vinduet, og klik på OK for at afslutte masse kalibrerings vinduet, når topvalget er udført.
      Bemærk: ch3+, C3H3+og aloh+ er udvalgt til kalibrering af det positive massespektrum. mens OH- og cn¬ og AlO- er valgt til kalibrering af det negative massespektrum. De toppe, der udvælges til masse kalibrering, kan variere for forskellige prøver. Afvigelsen af de valgte toppe er mindre end 30 ppm for at sikre nøjagtig spids identifikation.
    6. Føj toppene af interesser til toplisten ved at klikke på toppen af de valgte ioner i spektret og klikke på knappen Tilføj spidsbelastning på værktøjslinjen.
    7. Klik på den røde trekant knap i Fpanel for at åbne vinduet Start måling .
    8. Indstil raster type til tilfældig, 128 x 128 pixelog 1 shot/pixel, Indstil antallet af scanninger til 60 scanninger i pop-up-vinduet, og klik på OK for at starte masse spektret erhvervelse af Roi.
      Bemærk: masse spektret erhvervelse vil automatisk stoppe efter det ønskede antal scanninger er erhvervet.
    9. Klik på Gem fil i fpanel for at gemme den erhvervede massespektrum og navngive det med et udpeget filnavn (f. eks saltopløsning-behandlet, luft-eksponeret).
    10. Skift polaritet til negativ i fpanel og Gentag trin 2.5.3-2.6.9 for at erhverve den negative massespektrum for samme Roi.
      Bemærk: SIMS-massespektra af fire forskellige ROIs af hver prøve blev anskaffet for de positive og negative polariteter i dette studie.
  7. Lagring af den analyserede ROI-position til yderligere analyse
    1. Klik på knappen Tilføj i Navigator GUI, og Indtast navnet på ROI i pop-up-vinduet (f. eks. saltopløsning 1).
    2. Klik på knappen stadie pos , og klik på knappen OK for at gemme placeringen af Roi.
      Bemærk: ROI-positionen gemmes til yderligere analyse af SIMS-billeddiagnostik.
  8. Erhvervelse af et højopløsnings-SIMS-billede
    1. Klik på knappen Indlæs indstillingsfilen i fpanel og vælg den foruddefinerede billedbehandlings indstillings fil. Klik på Åbn for at indlæse billedindstillingerne.
      Bemærk: den højeste side opløsning eller den mindste spot størrelse optimeres i den kollimerede tilstand (dvs. DC-modus). I denne tilstand bestemmer den mindste blændeåbning i beamlinjen vinklen på blænden. Ifølge indstillings indstillingen for ToF-SIMS er den højeste laterale opløsning, når JÆVNSTRØMS strømmen er ca. 50 pA, og fokus kan nå omkring 100 nm. For at opnå denne opløsning skal du øge linse kilden, mens du iagttager DC-strømmen, og optimere X-blanking og Y-blanking indtil den endelige DC-strøm når 50 pA. I det følgende vises de detaljerede parameterindstillinger for billedtilstanden. Bi3+ er valgt som den primære ionstråle. LMIG-energien er indstillet til 25 kV. Den LIMG chopper bredde er indstillet til 100 NS og chopper offset er indstillet til 30,9 ns. De øvrige indstillinger omfatter en emissions strøm på 1,0 μA; varmeværdien er 2,75 A; suppressor ca. 800-1000 V; emhætte 10 kV; linse kilden 3,5 kV; cyklustiden 100 μs; masseintervallet 1-870 u.
    2. Vælg Lmig i pop op- kategorierne for at indlæse vinduet.
    3. Gentag trin 2.2.7-2.2.14 for at måle målstrømmen og justere ionstrålen.
      Bemærk: den ønskede målstrøm i billedbehandlings tilstand skal være større end 0,6 na eller ca. 1 PA, hvis bi3+ er valgt til måling.
    4. Vælg den gemte ROI-position på rullelisten med markørens position i Navigator GUI. Klik på Start.
      Bemærk: dette trin sikrer, at masse spektret og billed tilknytningen erhverves fra det samme INVESTERINGSAFKAST.
    5. Gentag trin 2.5.4 og 2.5.5 for at justere reflektor spændingen.
    6. Gentag trin 2.6.3-2.6.6 for at udføre masse kalibreringen i billedtilstand.
      Bemærk: hvis softwaren ikke kan registrere de valgte toppe, når du udfører masse kalibrering, skal du markere afkrydsningsfeltet Brug valgt kanal i vinduet masse kalibrering .
    7. Gentag trin 2.6.7 og 2.6.8 for at indsamle billeddata.
      Bemærk: i Imaging mode, indstille raster type til tilfældig, 256 x 256 pixel, og 1 shot/pixel, indstille antallet af scanninger til 150 scanninger, og klik OK for at starte billedet erhvervelse af Roi. Billedopløsningen og scanningen kan være anderledes, og de bør bestemmes afhængigt af prøven.
  9. Udtagning af prøven fra vakuumkammeret
    1. Vælg Overfør fra rullelisten for markørens position i Navigator GUI, og klik på knappen Go for at bringe prøvestadiet nær porten.
    2. Åbn porten ved at gentage trin 2.1.6.
    3. Skub prøve overføringsarmen ind i hoved kammeret, og drej armstangen med uret og fremad, indtil den bindes til prøveholderens stift.
    4. Drej overføringsarmen tilbage, og træk den helt ud.
    5. Luk porten ved at klikke på knappen Luk på fpanel og vælg ingen prøveholder i pop op-vinduet Vælg eksempel holder .
    6. Skru låseskruen på lågen til belastnings låsen af, og klik på knappen stop i fpanelet for at udlufte belastnings låsen.
      Bemærk: Ventilering tager ca. 3-5 min.
    7. Sving overføringsarmen til højre, og drej overførings armstangen mod uret for at frigøre prøveholderen.
    8. Drej overføringsarmen tilbage, og stram låseskruen på døren til belastnings låsen.
    9. Klik på knappen Start i fpanel for at pumpe last låsen ned.
    10. Tag metal-maling-brugerflade harpiks samlingen fra prøveholderen, og anbring dem i en ren Petri skål.
  10. Deaktivering af LIMG
    1. Klik på stop lmig fra under fanen under fanen lmig i instrument vinduet.
    2. Fjern markeringen i boksene Lmig og Flood Gun i fpanel og fjern markeringen i boksen af belysning i Power -vinduet.

3. analyse af ToF-SIMS-data

  1. Eksport af SIMS-spektrumdata
    1. Klik på filer på værktøjslinjen i vinduet Spectrum program , og vælg Eksporter på rullelisten.
    2. Navngiv spektrumfilen, Gem den i den angivne mappe som en. txt-fil, og klik på OK.
    3. Skriv nummer 10 i pop op-vinduet for at definere binerings kanalen, og klik på OK.
      Bemærk: Binning 10 kanaler før eksport af massespektra er en almindeligt anvendt metode til at reducere datastørrelsen, mens du stadig holder masse opløsningen og nøjagtigheden.
    4. Eksporter The SIMS-billeddata.
    5. Klik på ikonet for billed program , og dobbeltklik på de erhvervede billedfiler for at få vist Sims-billederne.
    6. Træk billedet af en bestemt kemisk art fra listen til billed visningsvinduet, og dobbeltklik på billedet for at åbne billed proces vinduet nedenfor.
    7. Normaliserer billedet af den valgte kemiske art til billederne af total ioner ved at vælge Normaliser fra rullelisten i billed proces vinduet.
    8. Anvend den samme farveskala til at sammenligne den kemiske fordeling mellem forskellige prøver ved at justere farve skalaen i billed proces vinduet.
      Bemærk: de rå data af billederne kan eksporteres og plottes ved hjælp af andre grafiske software.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Figur 3 viser sammenligningen af massespektra mellem metal maling-grænsefladen, der behandles med saltopløsning, og den grænseflade, der udsættes for luft. Masse spektrene for de to prøver blev anskaffet ved hjælp af en 25 kV bi3+ ion stråle scanning i 300 μm x 300 μm Rois. Masse opløsningen (m/∆ m) for den saltopløsning-behandlede prøve var ca. 5.600 ved toppen af m/z- 26. De rå data for masse spektrene blev eksporteret efter Binning 10 kanaler. En grafisk software blev anvendt til at afbilde massespektre til præsentation. Det er kendt, at de beskyttende lag, der indeholder al (OH)3 dannes efter al korrosion starter6. Oxid (al3o5-) og oxyhydroxiarter (al2o4h-, al2o5h3-, al3o6H2-) af al (Oh)3 fragmenter7 blev observeret i metal-maling-grænsefladen af salt opløsningens eksponerede al-kupon (figur 3a) og var mere fremtrædende sammenlignet med de samme toppe i den luft eksponerede prøve (figur 3b ). Dette indikerer, at al-Kuponen, der eksponeres for saltopløsningen, havde oplevet mere alvorlig korrosion i forhold til den luft udsatte. Resultatet er i overensstemmelse med den kendte viden om, at opløsninger, der indeholder salte, såsom havvand, er kemisk aggressive og bidrager til korrosionsprocessen af en al-legering.

Figur 4 viser 2D-molekylære billeder af udvalgte alarter m/z- 161al 3o5- og 179al 3o6H2- erhvervet fra metal-maling-grænsefladen behandlet med en saltopløsning ( Figur 4a) og grænsefladen, der er udsat for luft (figur 4b). De afbildede ionintensiteter på m/z- 161 og 179 blev begge normaliseret til intensiteten af de totale ioner. Billederne af samme top blev justeret til den identiske farveskala. Billederne blev indhentet fra 100 scanninger af 256 x 256 pixels af 300 μm x 300 μm ROI. 2D-billederne giver distributionen af de kemiske arter af al-korrosions produkterne i to forskellige prøver. Toppene m/z- 161 og 179 var mere udbredte i metal maling-grænsefladen, der blev behandlet med saltopløsningen, og viste kraftigere intensiteter end dem, der blev vist i den luft eksponerede prøve. Dette resultat er enig med massespektra-resultaterne og viser også ToF-SIMMERES analytiske evner inden for kemisk identifikation og molekylær billeddannelse.

Figure 1
Figur 1 : Billeder, der viser den metal-maling interface forberedelse proces. Figur 1 viser den metal-maling interface forberedelse proces. Efter al-kuponer blev fastgjort i epoxyharpiks (a), blev de sprøjtet med den kommercielle maling produkt og indstillet til 24 h indtil de var helt tørre (b). Fire linjer blev indskrevet på malingen på toppen af al-kupon cylindre (c). De udskårne al-kupon cylindre blev udsat for luft eller en saltopløsning i 3 uger i Petri skåle (d). Al-kupon cylindrene blev skåret og trimmet til at afsløre metal-maling interfaces (e) og belagt med guld lag forud for TOF-Sims analyse (f). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2 : Skematisk af den metal-maling interface analyse af ToF-Sims og et foto af IONTOF V instrument. Figur 2 illustrerer analyseprocessen af metal maling-grænsefladen ved hjælp af TOF-Sims. Metal-Paint-grænsefladen(a) blev bombarderet med enbi 3+ primær ionstråle og genererede de sekundære ioner, hvilket resulterede i massespektra (b) og et Sims-billede (c). ToF-SIMS V-instrumentet (d), der anvendes til den metal maling-grænseflade analyse, der er beskrevet i dette værk, vises. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3 : Sammenligning af massespektre af metal-maling grænseflader af al kuponer. Figuren viser spektral forskellen mellem den grænseflade, der behandles med en saltopløsning, og den, der behandles med luft. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4 : Molekylære billeder af kemiske arter på metal-maling grænsefladen af al kuponer. Denne sammenligning viser forskellen i 2D-fordelingen af arter, der dannes i korrosion ved saltopløsning og med luft. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

ToF-SIMS adskiller ionerne i forhold til deres flyvetid mellem to scintillatorer. Topografien eller prøvens ruhed påvirker den flyvetid af ionerne fra forskellige udgangspositioner, som normalt fører til en dårlig masse opløsning med en øget bredde af toppe. Derfor er det afgørende, at ROIs bliver analyseret er meget fladt, for at sikre god signal samling8.

En anden faldgrube at undgå, er opladning. Da al-Paint interface blev fastgjort med den isolerende harpiks, opladning var forventet. Opladning akkumuleres på prøveoverfladen, da ROI bliver bombarderet med den primære ionstråle, der påvirker de kinetiske energier af ioner, der udsendes fra overfladen. Opladning resulterer i brede toppe og en reduceret masse opløsning. For at undgå den negative indflydelse af denne effekt, blev 10 nm af guld sputteret på grænsefladen overflade til at danne den ledende vej forud for SIMS analyse. Andre metoder kan anvendes til at reducere opladningen effekt, herunder anvendelse af oversvømmelse pistol, optimering af spænding af reflektoren, og vælge tilfældig tilstand som stråle raster mønster. Den oversvømmelse pistol genererer en stabil elektron strøm med lav energi. Det er almindeligt anvendt til Charge kompensation under The Sims analyse9,10,11. Hertil kommer, at spændingen af reflektoren, en ion optik, der forbedrer masse opløsningen, skal justeres, afhængigt af graden af opladning. ToF-SIMS-softwaren er en effektiv måde at optimere reflektoren på som beskrevet i protokollens trin 2.5.5. Valget af tilfældig tilstand som stråle raster mønsteret, før du erhverver Sims-data, reducerer opladnings effekten yderligere. Denne tilstand afhjælper det problem, der opstår i række-for-række-scanningstilstanden, hvilket giver den akkumulerede opladning mere tid til at sprede9,11.

ToF-Sims kan udstyres med flere ion-kilder, herunder-men ikke begrænset til-CS +, C60+og bin+. Polyatomare ionkilder (f. eks., bi3+ og C60+) producerer højere udbytter af sekundære ioner udledt fra prøveoverfladen sammenlignet med atomare ionstråler (f. eks., cs+ og bi1+)12 ,13. Desuden, sammenligner bi3+ til C60+, bi3+ er mere overflade følsom over for lav-masse fragmenter og dermed har en højere lateral opløsning med bedre billeder12. Derfor blev bi3+ valgt som analyse stråle i dette arbejde, da vi fokuserede på de lave masse toppe relateret til aluminium korrosions arter.

ToF-SIMS er en følsom overflade teknik, der kan give kemisk specificitet med en høj rumlig opløsning14. Andre overflade værktøjer, der anvendes i korrosions undersøgelser, omfatter XPS og SEM/EDX2,15,16,17. XPS kan levere kvantitative målinger af den kemiske tilstand og den elektroniske tilstand af de elementer, der findes i en prøve, men med en højere LOD (0,1%) end Sims (dele-per-milliard-dele-per-million niveau)18,19. SEM/EDX er ikke så følsom som ToF-SIMS, selvom SEM ofte bruges til at opnå morfologiske egenskaber af overflader. Desuden gør den kemiske kortlægning af SIMMERE det muligt at visualisere Molekylær ionfordelingen ved korrosions grænsefladen, mens SEM/EDX kun leverer elementært ion-kortlægning. SIMMERES molekylære kortlægning er således mere informativ i forbindelse med undersøgelse af korrosionsprocessen mellem ansigtet.

Dette arbejde viser, at ToF-SIMS er et kraftfuldt værktøj til at dechifrere korrosions specialisering ved grænsefladen på grund af dens lave LOD, høje masse opløsning og høje rumlige opløsning. Desuden tilbyder SIMS multimodal mikroanalyse, der kan tilskrives dens kvasi-destruktive karakter. Således kan den samme prøve analyseres af andre analytiske værktøjer og give omfattende oplysninger. Ideelt set kan integrationen af SIMS, XPS og SEM give mere omfattende indblik i korrosions adfærden ved metal maling-grænsefladen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev finansieret af QuickStarter program understøttet af Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). PNNL drives af Battelle til den amerikanske DOE. Dette arbejde blev udført ved hjælp af IONTOF ToF-SIMS V, der ligger i den biologiske videnskaber facilitet (BSF) på PNNL. JY og X-Y Yu erkendte også støtte fra atmosfærisk Sciences & global Change (ASGC) division og Physical and Computational Sciences 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).
Imaging korrosion på metal-Paint interface brug Time-of-Flight sekundær ion massespektrometri
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).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