Imaging corrosie bij de metaal verf-interface met behulp van tijd-of-Flight secundaire Ionenmassa spectrometrie
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.
Protocol
Representative Results
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…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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 |
Riferimenti
- Szklarska-Smialowska, Z. Pitting corrosion of aluminum. Corrosion Science. 41, 1743-1767 (1999).
- 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).
- Linford, M. R. An introduction to time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). Vacuum Technology & Coating. , (2014).
- Cushman, C., et al. A pictorial view of LEIS and ToF-SIMS instrumentation. Vacuum Technology & Coating. , 27-35 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kozole, J., Winograd, N., Smentkowski, V. S. Cluster Secondary Ion Mass Spectrometry. Surface Analysis and Techniques in Biology. , 71-98 (2014).
- Tyler, B. J., Rayal, G., Castner, D. G. Multivariate analysis strategies for processing ToF-SIMS images of biomaterials. Biomaterials. 28 (15), 2412-2423 (2007).
- Song, W., et al. Corrosion behaviour of extruded AM30 magnesium alloy under salt-spray and immersion environments. Corrosion Science. 78, 353-368 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Zhang, H., Cooper, S. L., Guan, J. Surface characterization techniques for polyurethane biomaterials. Advances in Polyurethane Biomaterials. , 23-73 (2016).
