等離子體基低能氮離子注入AISI 304L奧氏體不銹鋼腐蝕及腐蝕-疲勞性能研究.pdf

1、奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的抗腐蝕性能，但硬度低、耐磨損性能差，限制其在核電、航空航天等重要領(lǐng)域的廣泛應用。采用較低工藝溫度下（低于400℃）氮的表面改性技術(shù)，可在奧氏體不銹鋼表面形成高氮面心亞穩(wěn)相（γN）改性層，表面過飽和氮濃度達25 at.％,表面硬度提高，耐磨和抗蝕復合性能改善。為了滿足奧氏體不銹鋼γN相改性層在核電等領(lǐng)域的應用需求，本論文系統(tǒng)研究了等離子體基低能氮離子注入AISI304L奧氏體不銹鋼相改性層在pH值為8.4的硼酸-硼酸

2、鈉緩沖溶液中的腐蝕及腐蝕-疲勞行為，分別獲得了顯著提高的腐蝕和腐蝕-疲勞性能，所提出的應用點缺陷模型(Applied Point DefectModel)，解釋了γN相改性層鈍化膜中氮的改善作用機制，同時，結(jié)合斷口特征對γN相改性層提高腐蝕-疲勞性能的斷裂機制進行了討論。
　　采用電子回旋共振(ECR)微波等離子體基低能氮離子注入(Plasma-Based Low-Energy Ion Implantation)技術(shù)，在工藝溫度4

3、00℃下處理4小時AISI304L奧氏體不銹鋼，表面形成了厚度約12μm，表面硬度約13 GPa(HV0.1N)，峰值氮濃度約25 at.％的γN相改性層。通過陽極極化曲線測量、電化學阻抗譜(EIS)和Mott-Schottky曲線分析，研究了γN相改性層在pH值為8.4的硼酸-硼酸鈉緩沖溶液中的電化學腐蝕性能。陽極極化曲線測量表明，γN相改性層和原始AISI304L奧氏體不銹鋼均呈現(xiàn)自鈍化-過鈍化溶解過程，γN相改性層的自腐蝕電位由原

4、始不銹鋼的-275 mV(SCE)升至-231 mV(SCE)，維鈍電流密度由(3-5)×10-2 mA/cm2降至(1-3)×10-3 mA/cm2，致鈍電流密度由2.3×10-3 mA/cm2降至2.0×10-4mA/cm2，γN相改性層的陽極極化性能顯著提高。EIS中γN相改性層相位角為83°，彌散指數(shù)n為0.910±0.022，極化電阻Rp為1298.5±41.2kΩcm2，均高于原始AISI304L不銹鋼的75°，0.879±

5、0.004和231.6±9.6 kΩ cm2。由Power-Law模型計算得出γN相改性層和原始AISI304L不銹鋼鈍化膜的有效厚度δeff分別為2.82±067nm和2.97±0.34nm。γN相改性層鈍化膜空間電荷層電容更接近理想電容，阻抗值更大。Mott-Schottky曲線表明，γN相改性層施主濃度和受主濃度分別由原始AISI304L奧氏體不銹鋼的6.6×1021 cm-3和6.9×1021 cm-3降低至3.2×1020 c

6、m-3和4.6×1020cm-3，平帶電位從-480 mV(SCE)降至-640 mV(SCE)，γN相改性層鈍化膜更加致密，高于平帶電位時鈍化膜表現(xiàn)為n型半導體特性，低于平帶電位時鈍化膜表現(xiàn)為p型半導體特性。
　　俄歇電子能譜和x射線光電子譜(AES/XPS)分析表明，γN相改性層鈍化膜氧含量較原始AISI304L不銹鋼增高，雙亞層結(jié)構(gòu)鈍化膜的外亞層以Fe的氧化物和氫氧化物為主，表面吸附有NH3，內(nèi)亞層以Cr的氧化物為主，同時存

7、在Cr和Fe的氮化物，原始AISI304L不銹鋼鈍化膜表面檢測出單質(zhì)態(tài)Cr和Fe，而γN相改性層鈍化膜表面未檢出。γN相改性層具有高的過飽和氮濃度，依據(jù)所提出的應用點缺陷模型(Applied PDM)，考慮氮原子在各基元反應中的作用，揭示了氮原子阻礙鈍化膜金屬原子擴散和溶解，同時消耗鈍化膜表面H+，促進形成氧含量更高鈍化膜的改善機制。
　　采用添加溶液池的液壓伺服力學性能試驗機，研究了具有γN相改性層的AISI304L不銹鋼和原始

8、不銹鋼在pH值為8.4的硼酸-硼酸鈉緩沖溶液中的拉伸性能和腐蝕-疲勞性能。變形量小于30％時二者伸長量相同，隨著變形量進一步增加，原始AISI304L不銹鋼較γN相改性層的伸長量增大。原始AISI304L不銹鋼的最大伸長量和抗拉強度分別為108％和729 MPa，γN相改性層分別為105％和692 MPa。應力比為-1的拉-壓條件下的腐蝕-疲勞實驗表明，γN相改性層的疲勞強度從原始不銹鋼的180 MPa提高至230 MPa，疲勞強度提高