氮表面改性?shī)W氏體不銹鋼的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文博士學(xué)位論文氮表面改性?shī)W氏體不銹鋼的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)研究DiffusionKineticsofNitrogeninNitrogenSurfacemodifiedAusteniticStainlessSteels學(xué)號(hào)：10705015答辯日期：201410大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文摘要FeC曲qi系奧氏體不銹鋼低溫(723目氮表面改性，包括氣體、等離子體滲

2、氮，氮離子注入和等離子體基氮離子注入等，可形成單一相結(jié)構(gòu)的高氮(約2030at％)面心立方相()改性層，具有高硬度及顯著改善的耐磨抗蝕復(fù)合性能。為了掌握奧氏體不銹鋼氮表面改性機(jī)理，提高氮表面改性效率，確定其影響因素，本文系統(tǒng)地開(kāi)展了奧氏體不銹鋼表面氮的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論研究。首先，采用等離子體基低能氮離子注入奧氏體不銹鋼，建立了奧氏體不銹鋼表面氮濃度一深度分布規(guī)律，分析了悄相改性層中氮原子的非線性擴(kuò)散行為；其次，利用第一性原理計(jì)算含氮

3、奧氏體中氮原子的相互作用，提出了奧氏體不銹鋼中氮原子間隙擴(kuò)散非線性動(dòng)力學(xué)模型；第三，結(jié)合等離子體基低能氮離子注入奧氏體不銹鋼的濃度一深度分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了奧氏體不銹鋼氮擴(kuò)散的非線性動(dòng)力學(xué)模型的特征參數(shù)，并用于討論氣體滲氮、等離子滲氮和離子注入等典型“相表面改性工藝的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，揭示了氮的增強(qiáng)擴(kuò)散機(jī)制：最后，針對(duì)單晶奧氏體不銹鋼氮表面改性的特點(diǎn)，進(jìn)一步研究了各向異性的含氮奧氏體中氮原子的相互作用，確定了單晶奧氏體不銹鋼氮擴(kuò)散的非線性動(dòng)力學(xué)

4、規(guī)律及其影響因素。采用等離子體基低能氮離子注入改性AISI304奧氏體不銹鋼，在滲氮溫度673K，等離子體源功率400W，平均氮離子束流密度O3，04和06mA／cm2的條件下，獲得了沒(méi)有第二相析出的單一悄相滲氮表面改性層。隨著平均氮離子束流密度的增加，表面氮濃度從19at％增加到31at％，滲氮層厚度從69m增加到13lxm。氮在奧氏體不銹鋼中的濃度一深度分布曲線具有非誤差函數(shù)的平臺(tái)型特點(diǎn)，說(shuō)明氮在奧氏體不銹鋼中的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)行為具有非

5、線性特征。利用密度泛函理論計(jì)算了含氮奧氏體不銹鋼晶胞能量、結(jié)構(gòu)和電子密度分布，以及差分電子密度分布，研究了奧氏體不銹鋼晶格平衡位置上氮的狀態(tài)。隨著氮所處八面體中Cr原子數(shù)的增加，含氮奧氏體不銹鋼超晶胞能量降低，氮位于含Cr原子數(shù)為0到3的八面體中心時(shí)，超晶胞的能量分別為0380，0045，0427和0816eV，氮原子穩(wěn)定存在于含2或3個(gè)Cr原子的八面體中，且處于最近鄰平衡位置的氮原子之間的勢(shì)能與其周圍Cr原子數(shù)量無(wú)關(guān)，均在2326eV