【摘要】：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(yīng)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(dá)25 at.%,表面硬度提高,耐磨和抗蝕復(fù)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(yīng)用需求,本論文系統(tǒng)研究了等離子體基低能氮離子注入AISI 304L奧氏體不銹鋼YN相改性層在pH值為8.4的硼酸-硼酸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(yīng)用點(diǎn)缺陷模型(Applied Point Defect Model),解釋了γN相改性層鈍化膜中氮的改善作用機(jī)制,同時(shí),結(jié)合斷口特征對(duì)γN相改性層提高腐蝕-疲勞性能的斷裂機(jī)制進(jìn)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400℃下處理4小時(shí)AISI 304L奧氏體不銹鋼,表面形成了厚度約12μm,表面硬度約13GPa(HV0.1N),峰值氮濃度約25 at.%的γN相改性層。通過陽(yáng)極極化曲線測(cè)量、電化學(xué)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(xué)腐蝕性能。陽(yáng)極極化曲線測(cè)量表明,YN相改性層和原始AISI 304L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始不銹鋼的-275mV(SCE)升至-231mV(SCE),維鈍電流密度由(3-5)×10~2 mA/cm~2降至(1-3)×10~(-3) mA/cm~2,致鈍電流密度由2.3×10~(-3) mA/cm~2降至2.0×10~(-4) mA/cm~2, γN相改性層的陽(yáng)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±41.2kΩcm~2,均高于原始AISI304L不銹鋼的750,0.879±0.004和231.6±9.6kΩcm~2。由Power-Law模型計(jì)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AISI 304L奧氏體不銹鋼的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,平帶電位從-480mV(SCE)降至-640mV(SCE), γn相改性層鈍化膜更加致密,高于平帶電位時(shí)鈍化膜表現(xiàn)為n型半導(dǎo)體特性,低于平帶電位時(shí)鈍化膜表現(xiàn)為p型半導(dǎo)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AISI 304L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(shí)存在Cr和Fe的氮化物,原始AISI304L不銹鋼鈍化膜表面檢測(cè)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(yīng)用點(diǎn)缺陷模型(Applied PDM),考慮氮原子在各基元反應(yīng)中的作用,揭示了氮原子阻礙鈍化膜金屬原子擴(kuò)散和溶解,同時(shí)消耗鈍化膜表面H+,促進(jìn)形成氧含量更高鈍化膜的改善機(jī)制。采用添加溶液池的液壓伺服力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī),研究了具有γN相改性層的AISI 304L不銹鋼和原始不銹鋼在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(shí)二者伸長(zhǎng)量相同,隨著變形量進(jìn)一步增加,原始AISI304L不銹鋼較γN相改性層的伸長(zhǎng)量增大。原始AISI 304L不銹鋼的最大伸長(zhǎng)量和抗拉強(qiáng)度分別為108%和729 MPa,γN相改性層分別為105%和692 MPa。應(yīng)力比為-1的拉-壓條件下的腐蝕-疲勞實(shí)驗(yàn)表明,γN相改性層的疲勞強(qiáng)度從原始不銹鋼的180 MPa提高至230 MPa,疲勞強(qiáng)度提高了28%。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)腐蝕-疲勞斷口特征進(jìn)行觀察和分析,原始AISI 304L不銹鋼為自外表面向內(nèi)的河流狀發(fā)散疲勞源,伴隨應(yīng)力集中、裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致試樣斷裂,而γN相改性層與AISI304L不銹鋼基體間為弧形疲勞源,γN相改性層與基體界面萌生的腐蝕-疲勞裂紋,分別向基體內(nèi)部和γN相改性層擴(kuò)展,當(dāng)應(yīng)力集中至一定程度,γN相改性層發(fā)生斷裂,繼續(xù)向基體加速擴(kuò)展的裂紋導(dǎo)致試樣最終斷裂。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG142.71;TG172

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本文編號(hào)：2295669