等离子体基低能氮离子注入AISI 304L奥氏体不锈钢腐蚀及腐蚀—疲劳性能研究

发布时间：2018-10-26 12:09

【摘要】：奥氏体不锈钢具有优良的抗腐蚀性能,但硬度低、耐磨损性能差,限制其在核电、航空航天等重要领域的广泛应用。采用较低工艺温度下(低于400℃)氮的表面改性技术,可在奥氏体不锈钢表面形成高氮面心亚稳相(γN)改性层,表面过饱和氮浓度达25 at.%,表面硬度提高,耐磨和抗蚀复合性能改善。为了满足奥氏体不锈钢γN相改性层在核电等领域的应用需求,本论文系统研究了等离子体基低能氮离子注入AISI 304L奥氏体不锈钢YN相改性层在pH值为8.4的硼酸-硼酸钠缓冲溶液中的腐蚀及腐蚀-疲劳行为,分别获得了显著提高的腐蚀和腐蚀-疲劳性能,所提出的应用点缺陷模型(Applied Point Defect Model),解释了γN相改性层钝化膜中氮的改善作用机制,同时,结合断口特征对γN相改性层提高腐蚀-疲劳性能的断裂机制进行了讨论。采用电子回旋共振(ECR)微波等离子体基低能氮离子注入(Plasma-Based Low-Energy Ion Implantation)技术,在工艺温度400℃下处理4小时AISI 304L奥氏体不锈钢,表面形成了厚度约12μm,表面硬度约13GPa(HV0.1N),峰值氮浓度约25 at.%的γN相改性层。通过阳极极化曲线测量、电化学阻抗谱(EIS)和Mott-Schottky曲线分析,研究了γN相改性层在pH值为8.4的硼酸-硼酸钠缓冲溶液中的电化学腐蚀性能。阳极极化曲线测量表明,YN相改性层和原始AISI 304L奥氏体不锈钢均呈现自钝化-过钝化溶解过程,γN相改性层的自腐蚀电位由原始不锈钢的-275mV(SCE)升至-231mV(SCE),维钝电流密度由(3-5)×10~2 mA/cm~2降至(1-3)×10~(-3) mA/cm~2,致钝电流密度由2.3×10~(-3) mA/cm~2降至2.0×10~(-4) mA/cm~2, γN相改性层的阳极极化性能显著提高。EIS中γN相改性层相位角为83°,弥散指数n为0.910±0.022,极化电阻Rp为1298.5±41.2kΩcm~2,均高于原始AISI304L不锈钢的750,0.879±0.004和231.6±9.6kΩcm~2。由Power-Law模型计算得出γN相改性层和原始AISI304L不锈钢钝化膜的有效厚度δeff分别为2.82±067nm和2.97±0.34nm。γN相改性层钝化膜空间电荷层电容更接近理想电容,阻抗值更大。Mott-Schottky曲线表明,γN相改性层施主浓度和受主浓度分别由原始AISI 304L奥氏体不锈钢的6.6×10~(21)cm-3和6.9x10~(21)cm-3降低至3.2×10~(20)cm-3和4.6×10~(20)cm-3,平带电位从-480mV(SCE)降至-640mV(SCE), γn相改性层钝化膜更加致密,高于平带电位时钝化膜表现为n型半导体特性,低于平带电位时钝化膜表现为p型半导体特性。俄歇电子能谱和x射线光电子谱(AES/XPS)分析表明,γN相改性层钝化膜氧含量较原始AISI 304L不锈钢增高,双亚层结构钝化膜的外亚层以Fe的氧化物和氢氧化物为主,表面吸附有NH3,内亚层以Cr的氧化物为主,同时存在Cr和Fe的氮化物,原始AISI304L不锈钢钝化膜表面检测出单质态Cr和Fe,而γN相改性层钝化膜表面未检出。γN相改性层具有高的过饱和氮浓度,依据所提出的应用点缺陷模型(Applied PDM),考虑氮原子在各基元反应中的作用,揭示了氮原子阻碍钝化膜金属原子扩散和溶解,同时消耗钝化膜表面H+,促进形成氧含量更高钝化膜的改善机制。采用添加溶液池的液压伺服力学性能试验机,研究了具有γN相改性层的AISI 304L不锈钢和原始不锈钢在pH值为8.4的硼酸-硼酸钠缓冲溶液中的拉伸性能和腐蚀-疲劳性能。变形量小于30%时二者伸长量相同,随着变形量进一步增加,原始AISI304L不锈钢较γN相改性层的伸长量增大。原始AISI 304L不锈钢的最大伸长量和抗拉强度分别为108%和729 MPa,γN相改性层分别为105%和692 MPa。应力比为-1的拉-压条件下的腐蚀-疲劳实验表明,γN相改性层的疲劳强度从原始不锈钢的180 MPa提高至230 MPa,疲劳强度提高了28%。采用场发射扫描电子显微镜(SEM)对腐蚀-疲劳断口特征进行观察和分析,原始AISI 304L不锈钢为自外表面向内的河流状发散疲劳源,伴随应力集中、裂纹扩展导致试样断裂,而γN相改性层与AISI304L不锈钢基体间为弧形疲劳源,γN相改性层与基体界面萌生的腐蚀-疲劳裂纹,分别向基体内部和γN相改性层扩展,当应力集中至一定程度,γN相改性层发生断裂,继续向基体加速扩展的裂纹导致试样最终断裂。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG142.71;TG172

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本文编号：2295669