氮表面改性奧氏體不銹鋼的擴散動力學研究.pdf

1、大連理工大學博士學位論文博士學位論文氮表面改性奧氏體不銹鋼的擴散動力學研究DiffusionKineticsofNitrogeninNitrogenSurfacemodifiedAusteniticStainlessSteels學號：10705015答辯日期：201410大連理工大學DalianUniversityofTechnology大連理工大學博士學位論文摘要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，可形成單一相結構的高氮(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合性能。為了掌握奧氏體不銹鋼氮表面改性機理，提高氮表面改性效率，確定其影響因素，本文系統(tǒng)地開展了奧氏體不銹鋼表面氮的擴散動力學實驗和理論研究。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散行為；其次，利用第一性原理計算含氮

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散非線性動力學模型；第三，結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驗結果，確定了奧氏體不銹鋼氮擴散的非線性動力學模型的特征參數，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驗規(guī)律，揭示了氮的增強擴散機制：最后，針對單晶奧氏體不銹鋼氮表面改性的特點，進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散的非線性動力學

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的平臺型特點，說明氮在奧氏體不銹鋼中的擴散動力學行為具有非

5、線性特征。利用密度泛函理論計算了含氮奧氏體不銹鋼晶胞能量、結構和電子密度分布，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原子數為0到3的八面體中心時，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能與其周圍Cr原子數量無關，均在2326eV