金屬鈾表面全方位離子注入氮化改性研究.pdf

1、為了提高金屬鈾的抗腐蝕能力，本文利用全方位離子注入技術(shù)在鈾表面進(jìn)行氮化處理，通過(guò)AES、XPS、XRD、SEM等分析手段對(duì)樣品表面的氮化層組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。對(duì)于氮化層的形成機(jī)理從理論上給出了解釋。為了檢驗(yàn)氮化處理后鈾表面抗腐蝕性能，對(duì)樣品進(jìn)行了大氣腐蝕，濕熱腐蝕，電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)。
　　AES深度剖析數(shù)據(jù)表明氮化層主要為鈾氮氧三種元素，氧含量較高，氮元素在深度上呈雙峰分布。用AES分析了不同工藝參數(shù)對(duì)氮化效果的影響，增加電壓、頻率

2、、脈寬、注入時(shí)間都明顯增大了氮元素注入劑量，但只有增加脈寬，能提高氮的注入深度。利用XPS分析了各元素化學(xué)狀態(tài)。氧和氮都是以化合態(tài)的形式存在。鈾元素的化學(xué)狀態(tài)比較復(fù)雜。在氧含量較高的位置，鈾主要以UO2存在，在氮含量較高的位置，鈾則主要以U2N3和金屬鈾存在。從整體上看，改性層為兩個(gè)富氮層夾在三個(gè)富氧層之間的結(jié)構(gòu)。改性層和金屬鈾之間沒(méi)有明顯分界面，逐漸過(guò)渡，結(jié)合緊密。通過(guò)XRD低角衍射發(fā)現(xiàn)表層主要是由UO2和U2N3的混合物構(gòu)成，沒(méi)有發(fā)

3、現(xiàn)明顯的金屬鈾衍射峰。
　　從全方位離子注入的原理對(duì)氮離子注入劑量進(jìn)行了計(jì)算，氮離子注入劑量為1017-1018cm-2。計(jì)算了熱平衡時(shí)樣品表面溫度。不同工藝參數(shù)下，樣品表面溫度差別不大，均在400℃左右。對(duì)氮化過(guò)程中的氧化因素進(jìn)行了分析。鈾表面易吸附氧，氮化過(guò)程中樣品表面化學(xué)活性極高。全方位離子注入為脈沖方式進(jìn)行，每個(gè)注入周期內(nèi)占空比較小，注入間隙有足夠的時(shí)間讓鈾表面吸附含氧介質(zhì)。離子轟擊和溫升加速了表面的氧向基體內(nèi)部擴(kuò)散，所以

4、氮化時(shí)間越長(zhǎng)，氧化越嚴(yán)重。從擴(kuò)散理論分析了氮雙峰的形成機(jī)理。第一個(gè)氮元素富集峰由注入形成，第二個(gè)氮元素富集峰由擴(kuò)散形成。注入離子的級(jí)聯(lián)碰撞使表層附近的氮原子離開晶格，產(chǎn)生擴(kuò)散。在離開注入?yún)^(qū)一定距離后，氮原子重新被晶格空位捕獲，形成化合物。故在距離表面一定深度的位置堆積成第二個(gè)氮峰。沒(méi)有離子轟擊時(shí)，氮擴(kuò)散較為困難。即擴(kuò)散只在注入期間發(fā)生，所以只有脈沖寬度能影響氮化深度。
　　通過(guò)腐蝕實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了氮化層的抗腐蝕性能。在大氣環(huán)境中，由SE

5、M觀測(cè)到表面幾乎沒(méi)有發(fā)生變化。濕熱腐蝕之后，樣品表面有微弱點(diǎn)蝕痕跡。AES檢測(cè)到表面氧含量略有增加。各元素分布在濕熱腐蝕后都沒(méi)太大變化，氮和氧有向基體內(nèi)部擴(kuò)散的趨勢(shì)。此外，通過(guò)XPS檢測(cè)了樣品表面吸附特性的變化，表面吸附的含氧介質(zhì)大大減少。通過(guò)電化學(xué)測(cè)試了氮化面在氯離子溶液的腐蝕特性。鈾表面氮化處理后抗腐蝕性能明顯上升，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)不同氮注入劑量的樣品在電化學(xué)腐蝕中沒(méi)有明顯差別。
　　氮化處理極大提高了鈾表面的抗腐蝕性能，改性層與基