论文摘要
为了提高金属铀的抗腐蚀能力,本文利用全方位离子注入技术在铀表面进行氮化处理,通过AES、XPS、XRD、SEM等分析手段对样品表面的氮化层组织结构进行了分析。对于氮化层的形成机理从理论上给出了解释。为了检验氮化处理后铀表面抗腐蚀性能,对样品进行了大气腐蚀,湿热腐蚀,电化学腐蚀实验。AES深度剖析数据表明氮化层主要为铀氮氧三种元素,氧含量较高,氮元素在深度上呈双峰分布。用AES分析了不同工艺参数对氮化效果的影响,增加电压、频率、脉宽、注入时间都明显增大了氮元素注入剂量,但只有增加脉宽,能提高氮的注入深度。利用XPS分析了各元素化学状态。氧和氮都是以化合态的形式存在。铀元素的化学状态比较复杂。在氧含量较高的位置,铀主要以UO2存在,在氮含量较高的位置,铀则主要以U2N3和金属铀存在。从整体上看,改性层为两个富氮层夹在三个富氧层之间的结构。改性层和金属铀之间没有明显分界面,逐渐过渡,结合紧密。通过XRD低角衍射发现表层主要是由UO2和U2N3的混合物构成,没有发现明显的金属铀衍射峰。从全方位离子注入的原理对氮离子注入剂量进行了计算,氮离子注入剂量为1017-1018cm-2。计算了热平衡时样品表面温度。不同工艺参数下,样品表面温度差别不大,均在400℃左右。对氮化过程中的氧化因素进行了分析。铀表面易吸附氧,氮化过程中样品表面化学活性极高。全方位离子注入为脉冲方式进行,每个注入周期内占空比较小,注入间隙有足够的时间让铀表面吸附含氧介质。离子轰击和温升加速了表面的氧向基体内部扩散,所以氮化时间越长,氧化越严重。从扩散理论分析了氮双峰的形成机理。第一个氮元素富集峰由注入形成,第二个氮元素富集峰由扩散形成。注入离子的级联碰撞使表层附近的氮原子离开晶格,产生扩散。在离开注入区一定距离后,氮原子重新被晶格空位捕获,形成化合物。故在距离表面一定深度的位置堆积成第二个氮峰。没有离子轰击时,氮扩散较为困难。即扩散只在注入期间发生,所以只有脉冲宽度能影响氮化深度。通过腐蚀实验检验了氮化层的抗腐蚀性能。在大气环境中,由SEM观测到表面几乎没有发生变化。湿热腐蚀之后,样品表面有微弱点蚀痕迹。AES检测到表面氧含量略有增加。各元素分布在湿热腐蚀后都没太大变化,氮和氧有向基体内部扩散的趋势。此外,通过XPS检测了样品表面吸附特性的变化,表面吸附的含氧介质大大减少。通过电化学测试了氮化面在氯离子溶液的腐蚀特性。铀表面氮化处理后抗腐蚀性能明显上升,实验范围内不同氮注入剂量的样品在电化学腐蚀中没有明显差别。氮化处理极大提高了铀表面的抗腐蚀性能,改性层与基体结合紧密,具有长期抗腐蚀能力。虽然目前存在着氧化较严重的问题,但通过工艺改进,具有实际应用前景。