铀表面等离子体氮化的初步研究
铀在核燃料及核工程领域有着非常广泛的应用。但由于金属态铀的化学活性非常高，使用过程中必须考虑防腐蚀。通过表面改性手段，在金属铀表面形成一层具有钝化作用的氮化层，是一种有效的金属铀表面防护手段。本论文利用等离子体氮化技术，对铀表面进行氮化处理，利用俄歇电子能谱、X射线衍射、扫描电子显微镜等手段对样品表面的氮化层进行物相和元素分析，得出了较优的氮化工艺参数并对铀表面等离子体氮化机理进行了初步探讨。为了检验表面氮化层的抗腐蚀能力，对氮化样品进行了大气腐蚀、氢腐蚀、湿热腐蚀等实验。 通过对不同氮化工艺参数下制备的氮化层进行分析表明，氮化前样品表面及真空气氛中的氧对氮化速率有重要影响。由于氧与铀的反应活性比氮高，工作气氛中的氧将优先与铀反应，所形成的氧化层对氮化起阻挡作用。金属铀表面氧化层过厚，工作气氛中氧的浓度过高，都将严重阻碍氮化的进行。因此氮化工艺要求反应容器内具有高的真空度及气密性，氮化前应当对真空室进行烘烤并且利用溅射除去表面氧化层。向工作气体内通入少量氢可以去除样品表面及气氛中的氧，对氮气活化和氮在氮化层内扩散也有显著促进作用，因此可以提高氮化速率，降低对真空条件的要求。 对所制备的氮化层进行X射线衍射分析，结果表明氮化层内主要物相为α-三氮化二铀，且随实验条件不同而略有差异:在较高本底真空(5×10-7Pa)及纯氮气氮化条件下，制得的较薄氮化层含有少量金属态的铀，以及微量的UO2及UC;在较低本底真空(5×10-4 Pa)及氮氢混合气体氮化条件下，制得的较厚氮化层内未发现金属态铀和UC，但表面附近UO2含量增大。利用俄歇深度剖析分析无氢工艺制备的较薄氮化层(～200 nm)，发现其由外向内具有氧化表面、铀氮化合物层、氮化层-基体界面和氮溶解基体的结构。氮化层-基体界面处元素含量变化较平缓，且具有较为明显的氧峰。采用含氢工艺，容易制得较厚的氮化层，但同时氧的分布也较深。对氮化过程中界面的演变进行分析，推断铀表面等离子体氮化具有反应扩散机制，在氮化过程中氧化层和氮铀化合物层先后起扩散阻挡作用，可以通过加氢和加热减弱或消除其影响。 通过实验，氮化层的实际抗腐蚀性能得到检验。在大气环境中存放一年以上的氮化样品依然表现出金属光泽;氢蚀实验中氮化层能够有效降低第二类氢蚀点的形核速率和形核密度，并且对氢蚀点的长大起抑制作用;在湿热腐蚀实验中，较厚的氮化层出现因应力释放导致脱落的现象，但较薄的氮化层保持完整，仍然发挥防护作用。 采用铀表面等离子体氮化工艺，通过对真空条件、工作气氛及其他参数的选择可以制备具有一定厚度的氮化层。所得的氮化层具有平缓过渡的界面，膜基结合性能较好，具有长期的抗腐蚀能力。
金属铀;表面处理;等离子体氮化技术;抗腐蚀能力
中国工程物理研究院
硕士
核燃料循环与材料
刘柯钊
2011
中文
TG178
67
2016-03-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）