Corrosion par imagerie à l’interface métal-peinture utilisant la spectrométrie de masse ionique secondaire à temps de vol

Summary

La spectrométrie de masse ionique secondaire à temps de vol est appliquée pour démontrer la cartographie chimique et la morphologie de la corrosion à l’interface métal-peinture d’un alliage d’aluminium après avoir été exposée à une solution saline par rapport à un spécimen exposé à l’air.

Abstract

La corrosion développée à l’interface de peinture et d’aluminium (Al) métal-peinture d’un alliage d’aluminium est analysée en utilisant la spectrométrie de masse d’ions secondaires de temps de vol (ToF-SIMS), illustrant que les SIMS est une technique appropriée pour étudier la distribution chimique à un interface métal-peinture. Les coupons en alliage d’aluminium peints sont immergés dans une solution saline ou exposés à l’air uniquement. SIMS fournit la cartographie chimique et l’imagerie moléculaire 2D de l’interface, permettant la visualisation directe de la morphologie des produits de corrosion formés à l’interface métal-peinture et la cartographie du produit chimique après la corrosion se produit. La procédure expérimentale de cette méthode est présentée pour fournir des détails techniques pour faciliter des recherches similaires et mettre en évidence les pièges qui peuvent être rencontrés au cours de ces expériences.

Introduction

Les alliages d’Al ont des applications larges dans les structures d’ingénierie, telles que dans la technologie marine ou l’automobile militaire, attribuables à leur rapport élevé de force-à-poids, excellente formabilité, et résistance à la corrosion. Cependant, la corrosion localisée des alliages d’Al est encore un phénomène commun qui affecte leur fiabilité à long terme, durabilité, et l’intégrité dans diverses conditions environnementales¹. Le revêtement de peinture est le moyen le plus courant pour prévenir la corrosion. L’illustration de la corrosion développée à l’interface entre le métal et le revêtement de peinture peut fournir des informations sur la détermination du remède approprié pour la prévention de la corrosion.

La corrosion des alliages Al peut avoir lieu via plusieurs voies différentes. La spectroscopie de photoélectrons à rayons x (XPS) et la microscopie électronique à balayage/spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie (SEM/EDX) sont deux techniques de microanalyse de surface couramment appliquées pour étudier la corrosion. XPS peut fournir une cartographie élémentaire, mais pas une vue moléculaire holiste de l’information chimique de surface^2,3, tandis que SEM/EDX fournit des informations morphologiques et la cartographie élémentaire, mais avec une sensibilité relativement faible.

ToF-SIMS est un autre outil de surface pour la cartographie chimique avec une précision de masse élevée et une résolution latérale. Il a une faible limite de détection (LOD) et est capable de révéler la distribution des espèces de corrosion formées à l’interface métal-peinture. Typiquement, la résolution de masse de SIMS peut atteindre 5000-15000, suffisante pour différencier les ions isobares⁴. Avec sa résolution spatiale submicronique, ToF-SIMS peut chimiquement l’image et caractériser l’interface métal-peinture. Il fournit non seulement des informations morphologiques, mais aussi la distribution latérale des espèces de corrosion moléculaire au sommet de quelques nanomètres de la surface. ToF-SIMS offre des informations complémentaires à XPS et SEM/EDX.

Pour démontrer la capacité de la ToF-SIMS dans la caractérisation de surface et l’imagerie de l’interface de corrosion, deux coupons peints en alliage Al (7075), l’un exposé à l’air seulement et l’autre à une solution saline, sont analysés (figure 1 et figure 2). La compréhension du comportement de corrosion à l’interface métal-peinture exposée à la condition saline est essentielle pour comprendre la performance de l’alliage Al dans un environnement marin, par exemple. On sait que la formation d’Al (OH)₃ se produit pendant l’exposition d’Al à l’eau de mer⁵, mais l’étude de la corrosion al manque encore une identification moléculaire complète de l’interface de corrosion et de revêtement. Dans cette étude, on observe et on identifie les fragments d’Al (OH)₃, y compris les oxydes d’Al (p. ex., Al₃o₅^–) et les espèces d’oxyhydroxyde (p. ex., Al₃o₆H₂^–). Les comparaisons des spectres de masse des Sims (figure 3) et des images moléculaires (figure 4) des ions négatifs Al₃o₅^– et al₃o₆H₂^– fournissent la la preuve des produits de corrosion formés à l’interface métal-peinture du coupon d’alliage Al traité par solution salée. SIMS offre la possibilité d’élucider la chimie compliquée qui se produit à l’interface métal-peinture, ce qui peut aider à éclairer l’efficacité des traitements de surface dans les alliages d’al. Dans ce protocole détaillé, nous démontrons cette approche efficace pour sonder l’interface métal-peinture pour aider les nouveaux praticiens dans la recherche sur la corrosion à l’aide de ToF-SIMS.

Protocol

1. préparation de l’échantillon de corrosion Fixation de l’échantillon al en résine et polissage Montez deux coupons en alliage Al (1 cm x 1 cm) en utilisant de la résine époxy dans des tasses à échantillon métallographique de 1,25 pouce et placez les coupons dans la hotte pendant la nuit ou jusqu’à ce que la résine soit complètement durcie. Sortez les tasses de cylindres en résine al des tasses d’échantillon. Polir les cylindres en résine al en util…

Representative Results

La figure 3 présente la comparaison des spectres de masse entre l’interface métal-peinture traitée avec une solution saline et l’interface exposée à l’air. Les spectres de masse des deux échantillons ont été acquis à l’aide d’un balayage à faisceau ionique de 25 kV bi3+ en 300 μm x 300 μm rois. La résolution de masse (m/∆ m) de l’échantillon traité par solution salée était d’environ 5 600 à la crête de m/z- 26. Les données …

Discussion

ToF-SIMS différencie les ions en fonction de leur temps de vol entre deux scintillateurs. La topographie ou l’échantillon de rugosité affecte le temps de vol des ions de différentes positions de départ, ce qui conduit généralement à une mauvaise résolution de masse avec une largeur accrue des pics. Par conséquent, il est essentiel que les ROIs analysés soient très plats, pour assurer une bonne collecte de signal⁸.

Un autre piège à éviter est la charge. …

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