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 corrosie bij de metaal verf-interface met behulp van tijd-of-Flight secundaire Ionenmassa spectrometrie

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

Time-of-Flight secundaire ionenmassa spectrometrie wordt toegepast om de chemische mapping en corrosie morfologie aan te tonen op de metaal-verf-interface van een aluminium legering na blootstelling aan een zoutoplossing in vergelijking met een specimen blootgesteld aan lucht.

Abstract

Corrosie ontwikkeld op de verf en aluminium (al) Metal-Paint interface van een aluminium legering wordt geanalyseerd met behulp van time-of-Flight secundaire Ion massaspectrometrie (ToF-SIMS), waaruit blijkt dat SIMS is een geschikte techniek om de chemische distributie te bestuderen op een metaal-verf interface. De geschilderde al-legering coupons worden ondergedompeld in een zoutoplossing of blootgesteld aan de lucht alleen. SIMS biedt chemische mapping en 2D moleculaire beeldvorming van de interface, waardoor directe visualisatie van de morfologie van de corrosieproducten gevormd op de metaal-verf-interface en in kaart brengen van de chemische stof na corrosie optreedt. De experimentele procedure van deze methode wordt voorgesteld om technische details te verstrekken om gelijkaardig onderzoek te vergemakkelijken en valkuilen te benadrukken die tijdens dergelijke experimenten kunnen worden ontmoet.

Introduction

Al legeringen hebben brede toepassingen in de technische structuren, zoals in mariene technologie of militaire Automotive, toe te schrijven aan hun hoge sterkte-gewicht verhouding, uitstekende vormbaarheid, en weerstand tegen corrosie. Nochtans, is de gelokaliseerde corrosie van al legeringen nog een gemeenschappelijk fenomeen dat hun betrouwbaarheid op lange termijn, duurzaamheid, en integriteit in diverse milieuvoorwaarden beïnvloedt1. Paint coating is de meest voorkomende manier om corrosie te voorkomen. Illustratie van de corrosie ontwikkeld op het raakvlak tussen metaal en verf coating kan inzicht geven in het bepalen van de juiste remedie tegen Corrosiepreventie.

De corrosie van al legeringen kan via verscheidene verschillende wegen plaatsvinden. X-ray fotoelectron spectroscopie (XPS) en scanning elektronenmicroscopie/energie-Dispersive X-Ray spectroscopie (SEM/EDX) zijn twee vaak toegepaste oppervlakte Microanalyse technieken bij het onderzoeken van corrosie. XPS kan elementaire mapping, maar niet een holist moleculaire weergave van het oppervlak chemische informatie2,3, terwijl SEM/EDX biedt morfologische informatie en elementaire mapping, maar met een relatief lage gevoeligheid.

ToF-SIMS is een ander oppervlak gereedschap voor chemische mapping met een hoge massa nauwkeurigheid en zijdelingse resolutie. Het heeft een lage grens van opsporing (LOD) en kan de distributie van de corrosie soorten openbaren die bij de metaal-verf interface worden gevormd. Typisch, SIMS massa resolutie kan bereiken 5000-15000, voldoende om de isobaar ionen te differentiëren4. Met zijn submicron ruimtelijke resolutie kan ToF-SIMS de Metal-Paint interface chemisch imago en karakteriseren. Het biedt niet alleen morfologische informatie, maar ook de laterale verdeling van moleculaire corrosie soorten aan de top paar nanometers van het oppervlak. ToF-SIMS biedt aanvullende informatie aan XPS en SEM/EDX.

Om het vermogen van ToF-SIMS in oppervlakte karakterisering en beeldvorming van de corrosie interface aan te tonen, worden twee geschilderde al legering (7075) Coupons, één blootgesteld aan lucht slechts en aan een zoute oplossing, geanalyseerd (Figuur 1 en Figuur 2). Inzicht in de corrosiegedrag op de metaal-Paint interface blootgesteld aan de zoute toestand is van cruciaal belang om de prestaties van de al-legering in een mariene omgeving te begrijpen, bijvoorbeeld. Het is bekend dat de vorming van al (OH)3 optreedt tijdens al de blootstelling aan zeewater5, maar de studie van al corrosie ontbreekt nog steeds uitgebreide moleculaire identificatie van de corrosie en coating interface. In deze studie worden de fragmenten van al (Oh)3, met inbegrip van al oxyden (b.v., al3o5-) en oxyhydroxide soorten (b.v., al3o6H2-), waargenomen en geïdentificeerd. De vergelijkingen van Sims massaspectra (Figuur 3) en moleculaire beelden (Figuur 4) van de negatieve ionen al3o5- en al3o6H2- bieden de moleculaire bewijs van de corrosieproducten gevormd op de metaal-Paint interface van de zoutoplossing-behandelde al-legering coupon. SIMS biedt de mogelijkheid om de ingewikkelde chemie te verhelderen die zich voordoet bij de metaal verf-interface, die kan helpen licht te werpen op de effectiviteit van oppervlaktebehandelingen in al legeringen. In dit gedetailleerde protocol, demonstreren we deze effectieve aanpak in het indringende de Metal-Paint interface om nieuwe beoefenaren van corrosie onderzoek met behulp van ToF-SIMS te helpen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. corrosie monstervoorbereiding

  1. Al steekproef fixatie in hars, en polijsten
    1. Monteer twee al-legerings coupons (1 cm x 1 cm) met behulp van epoxyhars in 1,25 inch metallographic sample cups en plaats de coupons in de rook kap 's nachts of tot de hars is volledig genezen.
    2. Neem de al hars cilinders cups uit de steekproef cups. Polijst de al hars cilinders met behulp van 240 Grit papier met water op een 300 rpm platen/150 rpm in de houder voor 1 min.
    3. Polijst de al hars cilinders met behulp van de polijst plaat met 15 µm, 6 µm, 3 µm, en 1 µm water-based oplossing voor 5 min (elke stap), sequentieel.
    4. Spoel de al hars cilinders met deioniseerde water (DI) en buff ze met katoen.
    5. Spoel de al hars cilinders weer met ethanol en plaats ze in de chemische rook kap tot ze droog zijn.
      Opmerking: als alternatief kan het monster worden gedroogd met onder druk gezette lucht of stikstof.
  2. Voorbereiding van het al corrosie monster
    1. Spray de zwarte verf 2x op elke al hars cilinder en laat ze staan in de rook kap voor 24 uur. De verf is ongeveer 100 µm dik.
      Opmerking: de verf is een commercieel product met primer gemengd in een fles. Het is snel drogen en roest preventieve.
    2. Graveren vier parallelle lijnen (5-6 mm lang) recht naar beneden op de top van elke geschilderde al hars cilinder met behulp van scalpels. Plaats de lijnen in het midden van de al-legeringen.
    3. Dompel een al hars cilinder in een pH 8,3 zoutoplossing die NaCl, MgSO4, MgCl2, en KCl, met het gegraveerde oppervlak naar beneden. Bedekken gedeeltelijk de 10 cm x 10 cm Petri schaal met zijn deksel.
      Nota: de zoute oplossing wordt gemaakt van 465 mM NaCl, 28 mM MgSO4, 25 mm MgCl2, en 3 mm KCl in 50 ml di water, aangepast door 0,1 M NaOH om ongeveer pH 8,3 te bereiken. De oplossing bevat hoofd ionen in zeewater. Het geleidingsvermogen van de zoutoplossing is ongeveer 5,5 S/m. De temperatuur van de oplossing is 72 °F.
    4. Plaats de andere al hars cilinder met zijn gegraveerd oppervlak in een schone Petri schaaltje en bedek het met het deksel. Bewaar beide monsters in de chemische rook kap gedurende 3 weken.
  3. Blootstelling van de corrosie-interface en de montage van de interface in hars
    1. Snijd elke hars cilinder in twee helften met behulp van een low-speed zaag met een diamant blad, loodrecht op het midden van de gemarkeerde lijnen, en trim de overmatige hars rand.
    2. Monteer alle getrimd al legering stukken in een 2 inch sample Cup en vormen een assemblage door het plaatsen van de al-legering stukken langs een cirkel, met de metaal-Paint interface naar boven. Ruimte uit elke al legering stuk.
    3. Herhaal stap 1.1.2-1.1.3.
    4. Verder polijsten de metaal-verf doorsnede in een vibrators polijstmachine aangebracht op een 2 pond gewicht met behulp van 0,05 µm van colloïdale silica oplossing op een polijsten pad voor 4 uur.
    5. Herhaal stappen 1.1.4-1.1.5
      Opmerking: de fixatie en polijst werk is belangrijk voor het verwerven van voldoende SIMS signalen, omdat een ongepolijste oppervlak zal leiden tot een lage intensiteit van secundaire ionen signalen en een slechte massa resolutie tijdens de SIMS analyse.
  4. Coating van het monster met een sputter coater
    1. Zet de gepolijste Metal-Paint interface assemblage in de sputter coater kamer met de interface kant omhoog. Sluit het deksel van de sputter coater en start de pomp van de kamer.
    2. Volg de reguliere sputter coater procedure en stort een 10 nm goud (AU) laag op de Metal-Paint interface assemblage.
      Opmerking: het doel van dit monster oppervlaktebehandeling is om het opladen effect te verminderen tijdens de SIMS analyse. Als het monster geleidend is, is deze stap niet nodig.

2. analyse van de metaal-verf corrosie interface met behulp van ToF-SIMS

  1. Laden van de monsters in ToF-SIMS
    1. Monteer de metaal verf-interface assemblage met de zoutoplossing behandeld monster en de lucht-blootgestelde controle op de topmount monsterhouder met behulp van schroeven en klemmen.
      Nota: de topmount is de naam van de steekproef houder die het steekproef op de bovenkant van de steekproef houder houdt.
    2. Draai de vergrendelings schroef op de deur van de last-Lock, en klik op de knop Stop op de Fpanel venster van de ToF-Sims software grafische gebruikersinterface (GUI) om de load-Lock kamer vent.
    3. Open de laad-Lock kamer door het slingeren van de steekproef arm naar rechts, draai de overdracht arm linksom tot hij hecht aan de pin van de topmount monsterhouder, en dan, zet hem terug.
    4. Zwaai de overdracht arm terug naar de deur van de lading te sluiten slot en draai de borgschroef op de deur om de lading te sluiten afdichting.
    5. Tikken naar de knop voor sprong voort naar de Fpanel venster voor pomp waas naar de vracht-sluiting kamer tot op bereikt ~ 1.0 e-6 mbar of onder.
    6. Klik op de knop Open op het Fpanel venster om de poort te openen tussen de hoofdkamer en de laad vergrendeling.
    7. Duw de steekproef overdracht arm bevestigd met de monsterhouder in de hoofdkamer. Draai de overdracht arm linksom tot de monsterhouder wordt overgebracht naar de steekproef fase in de hoofdkamer.
    8. Trek de overdracht arm helemaal terug, en klik op de knop sluiten op de Fpanel venster om de poort te sluiten tussen de hoofdkamer en de lading te vergrendelen.
    9. Selecteer topmount. Shi in de vervolgkeuzelijst van het pop-upvenster, selecteer de voorbeeld houderen klik op OK. Het beeld van de topmount monsterhouder verschijnt aan de rechterkant van de Navigator GUI.
    10. Wacht tot het vacuüm niveau van de hoofdkamer ten minste 1,0 E-8 mbar of lager bereikt.
  2. Aanvang van het vloeibare metaalionen kanon (LMIG) en groepering van de ionenstraal
    1. Controleer de dozen van LIMG, analysator, en verlichting in het venster van de machts controle aan macht omhoog het vloeibare metaalionen kanon (LIMG), analysator, en lichtbron nadat de steekproeven aan de belangrijkste vacuümkamer worden overgebracht.
    2. Vink het vakje van LMIG weergegeven op het Fpanel venster om de LMIG instelling te activeren. Klik op Start LMIG van de bron subtabblad onder het LIMG tabblad in het instrumenten venster om de LMIG te activeren.
    3. Selecteer het vooraf gedefinieerde bestand met spectrometrie-instellingen in het pop-upvenster van Load Settings en klik op openen.
      Opmerking: bi3+ is geselecteerd als de primaire Ion Beam. De LMIG energie is ingesteld op 25 kV. De LIMG Chopper breedte is ingesteld op 25 ns. De andere instellingen, waaronder emissie stroom 1,0 μA; de verwarmings waarde is 2,75 A; de suppressor ongeveer 800-1000 V; de afzuigkap 10 kV; de lens bron 3,3 kV; de cyclustijd 100 µs; de massa range 1-870 u. De instellingen kunnen variëren, afhankelijk van het instrumentmodel, de resterende levensduur van de LMIG, en de acquisitie vereiste voor specifieke monsters.
    4. Selecteer LMIG in het pop-upvenster van Categorieën die u wilt laden, klik op de geselecteerde knop en klik op OK.
      Opmerking: het duurt ongeveer 5 minuten om de LIMG volledig te starten.
    5. Selecteer positief in de vervolgkeuzelijst van de instrument instelling in het Fpanel om de te detecteren ionen te bepalen.
      Opmerking: Selecteer negatief in het drop-down menu als negatieve ionen moeten worden gemeten.
    6. Selecteer het vooraf gedefinieerde bestand van de Analyzer-instellingen nadat u op de knop van de laad instellingen in het Fpanel hebt geklikt om de Analyzer te activeren.
      Opmerking: de Analyzer acceleratie is ingesteld op 9,5 kV; de analysator energie is ingesteld op 2 kV; de detector is ingesteld op 9 kV. De instellingen van de Analyzer kunnen variëren als gevolg van de configuratie van de verschillende SIMS modellen.
    7. Selecteer Faraday Cup uit het drop-down menu van de cursor positie in de Navigator GUI. Klik op Ga naar het podium te verplaatsen naar de Faraday Cup.
      Opmerking: Verplaats het podium naar de Faraday Cup voor de beoogde huidige meting.
    8. Selecteer de micro -weergave van de drop-down lijst van video in de Navigator GUI om de positie van de Faraday Cup te bekijken.
    9. Klik op het centrum van de Faraday Cup onder de micro View in de Navigator GUI en selecteer drive om gemarkeerde positie uit het drop-down menu na rechts-klikken op de se/si primaire Gun venster in de Navigator Gui.
    10. Selecteer 20 µm x 20 µm van het drop-down menu van Specificeer raster gebied van mening na het rechts-klikken van het se/si primaire kanon venster in de Navigator GUI.
    11. Klik op de knop C van het pistool subtabblad onder het tabblad LIMG in het instrument venster om auto-align de Ion Beam.
    12. Klik op de Start knop en controleer het vak van DC van de pulserende subtabblad onder het tabblad LMIG om de doel stroom te meten.
    13. Klik op de X blanking van de focus SUBTABBLAD onder het tabblad LIMG en draai het muiswiel om de doel stroom te maximaliseren. Klik op de Y blanking van hetzelfde tabblad om de doel stroom te maximaliseren.
      Opmerking: de doel stroom van de ionenstraal gemeten onder de massaspectrometrie-modus moet groter zijn dan 14 na, of groter dan 0,5 PA als bi3+ is geselecteerd, om de gewenste intensiteit van de ionen signalen te bereiken.
    14. Klik op de Stop knop van de focus subtabblad om de meting van de doel stroom te stoppen.
  3. Aanpassing van de straal nadruk bij de streek van belang
    1. Druk op de Z -knop op het bedieningspaneel van de joystick en duw de joystick omhoog om de sample fase te verlagen tot de extractor kegel boven de bovenkant van de metaal-verf interface assemblage staat.
      Opmerking: het is van cruciaal belang om een botsing tussen de extractor kegel en de monsters bij het uitvoeren van deze stap te voorkomen.
    2. Druk op de X -en Y -knoppen op de joystick en beweeg de joystick naar links/rechts en omhoog/omlaag om de interface vergadering te brengen tot deze wordt weergegeven in de macro weergave in de Navigator GUI.
    3. Schakel over naar micro View in de Navigator GUI om de regio van belang (ROI) van de Metal-Paint interface te lokaliseren.
    4. Stel de ROI in op 300 µm x 300 µm nadat u met de rechtermuisknop op het primaire pistool venster se/si hebt geklikt om het veld van de weergave uit te vouwen.
    5. Selecteer het signaaltype si, rastergrootte 128 x 128 pixel, en raster type willekeurig uit de se/si primair geweer in de Navigator GUI.
    6. Klik op de zwarte driehoek knop en de Adjust si knop in de se/si primaire Gun venster. De ronde vorm van de secundaire Ion (SI) beeld van de ROI zal verschijnen in de se/si primair geweer venster.
    7. Druk op de knop Z op het bedieningspaneel van de joystick. Verplaats de joystick omhoog of omlaag om de ronde vorm van de SI-afbeelding te brengen naar het midden van het Kruis-haar in de se/si primaire pistool venster.
      Opmerking: als het Kruis-haar is in het midden van de ronde vorm van SI-beeld, het geeft aan dat het beeld wordt verkregen met een goede focus.
    8. Uncheck de Adjust si knop, en klik op de vierkante knop in de se/si primaire Gun venster om de focus aanpassing te stoppen.
  4. Verwijdering van de oppervlaktecoating en vervuiling met behulp van de High current mode/DC mode
    1. Selecteer de SE afbeelding uit het drop-down menu van de se/si primaire Gun venster om de DC reiniging vooruitgang te observeren.
    2. Controleer de doos van gelijkstroom in de Fpanel en klik de zwarte driehoek knoop om het schoonmaken van gelijkstroom te beginnen.
      Opmerking: Houd de DC op voor 10 s of tot de SE beeld geeft de gouden laag is verwijderd. De duur van de DC reiniging kan variëren, afhankelijk van de dikte van de coating.
    3. Klik op de zwarte vierkante knop om de DC reiniging te stoppen bij het observeren van de gouden coating wordt verwijderd via de micro -weergave in de Navigator GUI.
    4. Schakel de SE-afbeelding naar de SI-afbeelding in de Navigator GUI.
      Opmerking: de reden voor het gebruik van een DC-balk is omdat de DC-balk (~ 14 nA) is krachtig genoeg om de au coating en andere oppervlakte verontreiniging te verwijderen, terwijl de gepulseerde straalstroom (~ 1 pA) is niet adequaat.
  5. Het toelaten van de compensatie van de oppervlaktelast gebruikend een vloed kanon
    1. Controleer de flood Gun box in de Fpanel om de kosten compensatie mogelijk te maken.
    2. Klik op het instellings bestand voor de knop laden in het Fpanel. Selecteer het vooraf gedefinieerde bestand van flood Gun instellingen na het klikken op de laad-instellingen om de instellingen van de overstroming pistool te laden.
      Opmerking: de instellingen van de overstroming pistool onder meer de volgende: energie van 20 V, een anode van 300 V, een vertraging van 2,0 µs, een overstroming geweer gloeidraad stroom van 2,4 A, en een overstroming pistool leiden off van 2,0 µs. De instellingen van de overstroming pistool kan variëren voor verschillende instrumenten.
    3. Herhaal stappen 2.3.6-2.3.7 om de focus op de ROI opnieuw aan te passen.
      Opmerking: zodra de au-coating is verwijderd, zal de hoogte van de ROI veranderen. Zo is het noodzakelijk om de focus opnieuw aan te passen.
    4. Klik op de reflector van de tof subtabblad van de Analyzer/Main tab in het instrumenten venster.
    5. Klik op de waarde aan de linkerkant van de bar van de reflector om de spanning van de reflector te verlagen tot de ronde vorm van het si-beeld verdwijnt. Verhoog vervolgens de reflector spanning met 20 V.
      Opmerking: dit proces wordt gedaan om een vlakke beeldvorming oppervlak en maximale SI-signalen te garanderen. In de negatieve modus, verhoging van de reflector spanning tot de ronde vorm van de SI-beeld verdwijnt en, dan, breng het naar beneden 20 V.
    6. Herhaal stap 2.3.8 om de focus en reflector voltageaanpassing te stoppen.
  6. Verwerving van het massaspectrum met hoge resolutie
    1. Klik op de iconen van het spectrum en beeld in de Fpanel om het spectrum en de beelden Programma's te openen.
    2. De geselecteerde ROI van de Metal-Paint-interface in micro View weergeven.
    3. Klik op de driehoek knop in de Navigator GUI om een Quick scan te starten en een Sims spectrum zal verschijnen in het spectrum programma; Klik op het zwarte vierkant om de Quick scan te stoppen.
      Opmerking: de Quick scan moet slechts een aantal scans en meestal duurt slechts een paar seconden.
    4. Selecteer de massa kalibratie van de drop-down lijst van het spectrum op de werkbalk van het spectrum programma of druk op F3 om de massa kalibratie venster te brengen nadat de Quick scan is voltooid.
    5. Selecteer herkende pieken om het massaspectrum te kalibreren door op de corresponderende pieken te klikken, de formule toe te voegen in het venster massa kalibratie en op OK te klikken om het venster massa kalibratie te verlaten wanneer de piek selectie wordt uitgevoerd.
      Opmerking: CH3+, C3H3+, en Anneke+ zijn geselecteerd voor het kalibreren van het positieve massaspectrum; terwijl OH- en CN¬ en ALO- zijn geselecteerd voor het kalibreren van de negatieve massaspectrum. De pieken geselecteerd voor massa kalibratie kan variëren voor verschillende monsters. De afwijking van de geselecteerde pieken is minder dan 30 ppm om een nauwkeurige piek identificatie te garanderen.
    6. Voeg de pieken van belangen aan de piek lijst door te klikken op de piek van de geselecteerde ionen in het spectrum en klik op de knop toevoegen Peak op de werkbalk.
    7. Klik op de rode driehoek knop in het Fpanel om het venster Start meting te openen.
    8. Stel het raster type in op willekeurige, 128 x 128 pixelsen 1 shot/pixel, stel het aantal scans in op 60 scans in het pop-upvenster en klik op OK om de verwerving van het massaspectrum van de ROI te starten.
      Opmerking: de massaspectrum acquisitie zal automatisch stoppen na het gewenste aantal scans worden verkregen.
    9. Klik op bestand opslaan in de Fpanel om het verkregen massaspectrum op te slaan en noem het met een aangewezen bestandsnaam (bijv. zoutoplossing-behandeld, lucht-blootgesteld).
    10. Schakel de polariteit in op negatief in de Fpanel en herhaal stappen 2.5.3-2.6.9 om het negatieve massaspectrum voor dezelfde ROI te verkrijgen.
      Opmerking: SIMS massaspectra van vier verschillende ROI van elk monster werden verworven voor de positieve en negatieve polariteiten in deze studie.
  7. Besparing van de geanalyseerde ROI-positie voor aanvullende analyse
    1. Klik op de knop toevoegen in de Navigator GUI en voer de naam van de ROI in het pop-up venster in (bijvoorbeeld zoutoplossing 1).
    2. Klik op de knop POS-fase en klik op de knop OK om de ROI-locatie op te slaan.
      Opmerking: de ROI positie wordt opgeslagen voor extra SIMS Imaging analyse.
  8. Verwerving van een hoge resolutie SIMS beeld
    1. Klik op het instellings bestand voor de knop laden in het Fpanel en selecteer het vooraf gedefinieerde bestand voor Imaging-instellingen. Klik op openen om de Imaging-instellingen te laden.
      Nota: de hoogste zijdelingse resolutie of de kleinste vlekgrootte wordt geoptimaliseerd in de gecollimeerd wijze (d.w.z., de wijze van gelijkstroom). In deze modus, de kleinste diafragma in de Dubble bepaalt de hoek van het diafragma. Volgens de configuratie-instelling van de ToF-SIMS, de hoogste zijdelingse resolutie is wanneer de DC-stroom is ongeveer 50 pA en de focus kan bereiken rond 100 nm. Om deze resolutie te bereiken, verhoging van de lens bron, terwijl het observeren van de DC-stroom naar beneden, en het optimaliseren van de X blanking en Y blanking tot de laatste DC stroom bereikt 50 pA. In de volgende lijst worden de gedetailleerde parameterinstellingen van de Imaging modus weergegeven. Bi3+ is geselecteerd als de primaire Ion Beam. De LMIG energie is ingesteld op 25 kV. De LIMG Chopper breedte is ingesteld op 100 NS en de Chopper offset is ingesteld op 30,9 NS. De andere instellingen omvatten een emissie stroom van 1,0 μA; de verwarmings waarde is 2,75 A; de suppressor ongeveer 800-1000 V; de afzuigkap 10 kV; de lens bron 3,5 kV; de cyclustijd 100 µs; de massa range 1-870 u.
    2. Selecteer LMIG in de pop- upcategorieën om venster te laden .
    3. Herhaal stappen 2.2.7-2.2.14 om de doel stroom te meten en de ionenstraal uit te lijnen.
      Opmerking: de gewenste doel stroom in de Imaging-modus moet groter zijn dan 0,6 na of ongeveer 1 PA als bi3+ is geselecteerd voor meting.
    4. Selecteer de opgeslagen ROI positie in de drop-down lijst van de cursor positie in de Navigator GUI. Klik op Go.
      Opmerking: deze stap zorgt ervoor dat het massaspectrum en de afbeeldings toewijzing van dezelfde ROI worden verkregen.
    5. Herhaal de stappen 2.5.4 en 2.5.5 om de reflector spanning aan te passen.
    6. Herhaal de stappen 2.6.3-2.6.6 om de massa kalibratie in de Imaging-modus uit te voeren.
      Opmerking: als de software niet kan registreren de geselecteerde pieken bij het doen van de massa kalibratie, vinkt u het vakje gebruik geselecteerde kanaal in de massa kalibratie venster.
    7. Herhaal de stappen 2.6.7 en 2.6.8 om de afbeeldingsgegevens te verzamelen.
      Opmerking: in de Imaging mode, stel het raster type op willekeurige, 256 x 256 pixel, en 1 shot/pixel, stel het aantal scans op 150 scans, en klik op OK om de beeld verwerving van de ROI te starten. De beeldresolutie en scan kan verschillend zijn en ze moeten worden bepaald afhankelijk van het monster.
  9. Ophalen van het monster uit de vacuümkamer
    1. Selecteer Transfer van de drop-down lijst van de cursor positie in de Navigator GUI en klik op de Go knop om het monster stadium bij de Gate te brengen.
    2. Open de poort door te herhalen stap 2.1.6.
    3. Duw de steekproef overdracht arm in de hoofdkamer en draai de arm stang met de klok mee en naar voren tot hij hecht aan de pin van de monsterhouder.
    4. Draai de overdracht arm terug en trek het helemaal.
    5. Sluit de poort door te klikken op de knop sluiten op de Fpanel en selecteer geen monsterhouder in de pop-up Select monsterhouder venster.
    6. Draai de vergrendelings schroef op de deur van de laad vergrendeling en klik op de knop Stop in de Fpanel om de laad vergrendeling te ventileren.
      Opmerking: ontluchting duurt ongeveer 3-5 min.
    7. Zwaai de overdracht arm naar rechts en draai de overdracht arm stang linksom om de monsterhouder vrij te geven.
    8. Zwaai de overdracht arm terug en draai de borgschroef op de deur van de lading te vergrendelen.
    9. Klik op de Start knop in de Fpanel om de laad vergrendeling te verpompen.
    10. Haal de metaal-verf interface hars assemblage van de monsterhouder en plaats ze in een schone Petri schaaltje.
  10. De LIMG uitschakelen
    1. Klik op Stop LMIG van de subtabblad onder het tabblad LMIG in het instrumenten venster.
    2. Uncheck de dozen van LMIG en vloed kanon in de Fpanel en uncheck de doos van verlichting in het machts venster.

3. analyse van de ToF-SIMS data

  1. Export van de SIMS spectrum data
    1. Klik op bestand op de werkbalk van het spectrum programma venster en selecteer exporteren uit de keuzelijst.
    2. Noem het spectrum bestand, sla het op in de aangewezen map als een. txt-bestand en klik op OK.
    3. Typ nummer 10 in het pop-upvenster om het binning-kanaal te definiëren en klik op OK.
      Opmerking: binning 10 kanalen voor het exporteren van de massaspectra is een veelgebruikte methode voor het verminderen van de datagrootte, terwijl nog steeds het behoud van de massa resolutie en nauwkeurigheid.
    4. Exporteer de SIMS beeldgegevens.
    5. Klik op het pictogram van het afbeeldingsprogramma en dubbelklik op de verkregen afbeeldingsbestanden om de Sims-afbeeldingen weer te geven.
    6. Sleep de afbeelding van een bepaalde chemische soort uit de lijst naar het beeldweergave venster en dubbelklik op die afbeelding om het venster afbeeldings proces hieronder te openen.
    7. Normaliseren van de afbeelding van de geselecteerde chemische soorten om de beelden van de totale ionen door te kiezen normaliseren uit de drop-down lijst van het beeld proces venster.
    8. Pas dezelfde kleurenschaal toe om de chemische verdeling tussen verschillende monsters te vergelijken door de kleurenschaal in het venster afbeeldings proces aan te passen.
      Opmerking: de ruwe gegevens van de beelden kunnen worden geëxporteerd en uitgezet met behulp van andere grafische software.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 3 presenteert de vergelijking van de massaspectra tussen de metaal-Paint interface behandeld met zoutoplossing en de interface blootgesteld aan de lucht. De massaspectra van de twee monsters werden verworven met behulp van een 25 kV bi3+ Ion Beam Scanning in 300 µm x 300 µm ROIs. De massa resolutie (m/∆ m) van de zoute oplossing-behandelde steekproef was ongeveer 5.600 bij de piek van m/z- 26. De ruwe gegevens van de massaspectra werden uitgevoerd na binning 10 kanalen. Een grafische software werd toegepast om de massaspectra voor presentatie plot. Het is bekend dat de beschermende lagen met al (OH)3 worden gevormd na de al corrosie begint6. De oxide (al3o5-) en oxyhydroxide soorten (al2o4h-, al2o5h3-, al3o6h2-) van al (Oh)3 fragmenten7 werden waargenomen in de metaal-verf-interface van de zoutoplossing-Exposed al coupon (Figuur 3a) en waren meer prominent in vergelijking met dezelfde pieken in de lucht blootgestelde monster (Figuur 3b ). Dit geeft aan dat de al coupon blootgesteld aan de zoutoplossing had ervaren meer ernstige corrosie ten opzichte van de lucht-blootgestelde een. Het resultaat is in overeenstemming met de bekende kennis dat oplossingen die zouten bevatten, zoals zeewater, chemisch agressief zijn en bijdragen tot het corrosie proces van een al-legering.

Figuur 4 toont 2D moleculaire beelden van geselecteerde al soorten m/z- 161 al3o5- en 179 al3o6H2- verkregen uit de metaal-Paint interface behandeld met een zoutoplossing ( Figuur 4a) en de aan de lucht blootgestelde interface (Figuur 4b). De afgebeelde ionen intensiteiten van m/z- 161 en 179 werden allebei genormaliseerd aan de intensiteit van totale ionen. De beelden van dezelfde piek werden aangepast aan de identieke kleur schaal. De beelden werden verkregen uit 100 scans van 256 x 256 pixels van de 300 µm x 300 µm ROI. De 2D-beelden bieden de distributie van de chemische soorten van de al-corrosieproducten in twee verschillende monsters. De pieken m/z- 161 en 179 waren vaker voor in de metaal-verf-interface behandeld met de zoutoplossing, het weergeven van sterkere intensiteiten dan die getoond in de lucht-blootgestelde monster. Dit resultaat stemt overeen met de resultaten van de massaspectra en demonstreert verder de analytische capaciteiten van ToF-SIMS van chemische identificatie en moleculaire beeldvorming.

Figure 1
Figuur 1 : Foto's met de Metal-Paint interface voorbereiding proces. Figuur 1 toont de metaal-Paint interface voorbereiding proces. Nadat de al coupons werden vastgesteld in de epoxyhars (a), werden ze gespoten met de commerciële verf product en ingesteld voor 24 uur tot ze waren volledig droog (b). Vier lijnen werden gegraveerd op de verf bovenop de al coupon cilinders (c). De gesneden al coupon cilinders werden blootgesteld aan lucht of een zoutoplossing voor 3 weken in Petri schalen (d). De al coupon cilinders werden gesneden en geknipt om de Metal-Paint interfaces (e) en bedekt met gouden lagen voorafgaand aan tof-Sims analyse (f) bloot te leggen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2 : Het schema van de Metal-Paint interface analyse door ToF-Sims en een foto van het IONTOF V instrument. Figuur 2 illustreert het analyse proces van de Metal-Paint interface met behulp van tof-Sims. De metaal-verf interface (a) werd gebombardeerd door een bi3+ primaire Ion Beam en genereerde de secundaire ionen, wat resulteert in massaspectra (b) en een Sims beeld (c). De ToF-SIMS V instrument (d) gebruikt voor de metaal-Paint interface analyse beschreven in dit werk wordt weergegeven. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3 : Vergelijking van de massaspectra van de Metal-Paint interfaces van al coupons. De figuur toont het spectrale verschil tussen de interface behandeld met een zoutoplossing en de ene behandeld met lucht. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4 : Moleculaire beelden van chemische soorten bij de metaal-verf interface van al coupons. Deze vergelijking toont het verschil in 2D distributie van soorten die in corrosie door zoute oplossing en door lucht worden gevormd. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ToF-SIMS onderscheidt de ionen volgens hun tijd van vlucht tussen twee Scintillators. De topografie of steekproef ruwheid beïnvloedt de vlucht tijd van de ionen van verschillende beginnende posities, die gewoonlijk tot een slechte massa resolutie met een verhoogde breedte van pieken leidt. Daarom is het van cruciaal belang dat de ROIs wordt geanalyseerd zijn zeer vlak, om een goede signaal collectie te garanderen8.

Een andere valkuil te vermijden wordt opgeladen. Sinds de al-Paint interface werd vastgesteld met de isolerende hars, het opladen werd verwacht. De lading accumuleert op de steekproefoppervlakte aangezien ROI met de primaire ionenstraal wordt gebombardeerd, die de kinetische energieën van ionen beïnvloedt die van de oppervlakte worden uitgezonden. Het opladen resulteert in brede pieken en een verminderde massa resolutie. Om te voorkomen dat de negatieve invloed van dit effect, 10 nm goud werd sputterde op de interface oppervlak van de geleidende pad te vormen voorafgaand aan de SIMS analyse. Andere methoden kunnen worden toegepast om het opladen effect te verminderen, met inbegrip van de toepassing van de overstroming pistool, het optimaliseren van de spanning van de reflector, en het selecteren van willekeurige modus als de Beam rasterpatroon. Het vloed kanon genereert een stabiele elektronenstroom met lage energie. Het wordt vaak gebruikt voor vergoeding compensatie tijdens de Sims analyse9,10,11. In aanvulling, de spanning van de reflector, een ion optiek dat de massa resolutie verbetert, moet worden aangepast, afhankelijk van de mate van het opladen. ToF-SIMS software biedt een efficiënte manier om de reflector te optimaliseren zoals beschreven in stap 2.5.5 van het protocol. De selectie van willekeurige modus als de Beam rasterpatroon voor het verwerven van Sims gegevens verder vermindert het opladen effect. Deze modus vermindert het probleem dat zich voordoet in de rij-voor-rij scanmodus, waardoor de geaccumuleerde lading meer tijd om te verdrijven9,11.

ToF-Sims kunnen worden uitgerust met meerdere Ion bronnen, inclusief-maar niet beperkt tot-CS+, C60+, en bin+. Polyatomische ionen bronnen (b.v., bi3+ en C60+) produceren hogere opbrengsten van secundaire ionen die van het steekproefoppervlakte worden uitgezonden in vergelijking met Atoom ionenstralen (b.v., CS+ en bi1+)12 ,13. Bovendien, het vergelijken van bi3+ tot C60+, bi3+ is meer oppervlak gevoelig voor low-mass fragmenten en, dus, heeft een hogere zijdelingse resolutie met betere beelden12. Daarom, bi3+ werd geselecteerd als de analyse bundel in dit werk, omdat we gericht op de lage-massa pieken met betrekking tot aluminium corrosie soorten.

ToF-SIMS is een gevoelige Oppervlaktetechniek die chemische specificiteit kan leveren met een hoge ruimtelijke resolutie14. Andere oppervlakte hulpmiddelen die in corrosie studies worden toegepast omvatten XPS en SEM/EDX2,15,16,17. XPS kan kwantitatieve metingen leveren van de chemische toestand en de elektronische toestand van de elementen die binnen een monster bestaan, maar met een hogere LOD (0,1%) dan Sims (delen-per-miljard-delen-per-miljoen niveau)18,19. SEM/EDX is niet zo gevoelig zoals ToF-SIMS, hoewel SEM vaak wordt gebruikt om morfologische eigenschappen van oppervlakten te verkrijgen. Bovendien maakt de chemische mapping van SIMS het mogelijk om de moleculaire ionen verdeling bij de corrosie interface te visualiseren, terwijl SEM/EDX slechts de elementaire ionen mapping verstrekt. Zo is de moleculaire mapping van SIMS meer informatief in het onderzoeken van het Interfaciale corrosie proces.

Dit werk toont aan dat ToF-SIMS een krachtig instrument is om de corrosie speciatie op de interface te ontcijferen vanwege de lage LOD, hoge massa resolutie en hoge ruimtelijke resolutie. Bovendien biedt SIMS multimodale Microanalyse, toe te schrijven aan zijn quasi-niet-destructieve aard. Zo kan hetzelfde monster worden geanalyseerd door andere analytische instrumenten en bieden uitgebreide informatie. Idealiter kan de integratie van SIMS, XPS en SEM meer omvattend inzicht bieden in corrosiegedrag bij de Metal-Paint interface.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd gefinancierd door de QuickStart programma ondersteund door Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). PNNL wordt geëxploiteerd door Battelle voor de Amerikaanse DOE. Dit werk werd uitgevoerd met behulp van de IONTOF ToF-SIMS V, gelegen in de biologische wetenschappen faciliteit (BSF) op PNNL. Ook de steun van de atmosferische wetenschappen & Global Change (ASGC) divisie en het directoraat fysische en computationele Wetenschappen (PCSD) bij 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

Chemie ToF-SIMS aluminium Metal-Paint interface corrosie detectiegrens (LOD) massaspectra 2D beeldvorming
Imaging corrosie bij de metaal verf-interface met behulp van tijd-of-Flight secundaire Ionenmassa spectrometrie
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