【正文】 睹■ k日 _州 C“ ) 圖 3． 27注碳純鐵樣品加熱過(guò)程 Fe的 AlES 圖 3． 28注硪純。離子 注入碳后如果對(duì)樣品進(jìn)行高溫退火處理 ，注入的碳離子就會(huì)在樣品表面富聚，退火處理 更加有利于離子注入碳樣品表面的抗腐蝕及抗氧化能力。 從圖 3． 25可知，加熱前后 C、 O、 Fe的特征俄歇峰形與強(qiáng)度都無(wú)明顯的變化。 離子注入碳后鈾表面吸附行為研究 圖 3． 23離子注入碳純鐵表面 C的 AES 圖 3． 24注碳純鐵吸附和氧化過(guò)程 c的 AES 自 ^■ Th● (㈣ 圖 3． 25注碳純鐵氧化加熱前后俄歇電子能譜圖 圖 3． 26注碳純鐵樣 373K～ 523K加熱過(guò)程 從圖 3． 23可知，離子注入碳樣品中．碳的俄歇特征峰 KLL為 273． 5eV，與石墨碳的 KW俄歇峰峰形和能量都相差很大，說(shuō)明此時(shí)可能有鐵的碳化合物生成， XRD的分析 結(jié)果也可證明。這同樣也說(shuō)明本底真空條件下，氧與離子注入純鐵表面未發(fā)生強(qiáng)烈 的化學(xué)作用。 位移偏移的很小，說(shuō)明離子注入碳后鐵與氧的作用很微弱。 從圖 3． 21與圖 3． 22可知，離子注入碳純鐵樣品吸附和氧化過(guò)程中 Fe的俄敬特征 峰逐漸減弱，位移略向左偏移，說(shuō)明 氧與基體之間發(fā)生了反應(yīng)，但不能確定生成何種氧 化物。離子注入碳純鐵表面本 底真空吸附過(guò)程 O／ Fe原子比曲線(xiàn)斜率明顯小于純鐵表面本底真空吸附過(guò)程 O／ Fe原子比 曲線(xiàn)斜率。離子注入碳純鐵吸附和氧化過(guò)程中 O／Fe比很小， 說(shuō)明樣品表面 O原予的含量很少。從圖 3． 20可知，本底真空吸附 16分鐘過(guò)程中 O／ Fe的比基本保持在 O． 05；充 入氧氣 43． 24L后。與純鐵樣品吸附過(guò)程相比較，離子注入碳 后純鐵表面吸附氧的能力明顯減弱，這可能是由于注入的碳離子與基材生成了碳化物， 碳化物的形成阻塞了氧的擴(kuò)散通道；還可能是注入的碳離子將純鐵表面的吸附空位占據(jù) 了，使得氧的吸附位減少。隨后，對(duì)樣品進(jìn)行加 熱實(shí)驗(yàn)，利用俄歇電子能譜儀的深度剖析功能收譜。然后再進(jìn)行離子注入碳純鐵表面吸附氧氣和氧化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程為： 首先在 9． 3l 10— 7pa壓力下進(jìn)行 16分鐘的本底真空下的吸附，再在 6． 67xl o_6Pa壓力下 充入約 40L氧氣氧化 14分鐘。利用 俄歇剖析方式探測(cè)室溫下離子注入碳后純鐵表面的吸附和初始氧化過(guò)程。 離子注入碳后鈾表面吸附行為研究 168。圖 3． 15為純鐵氧化后的加熱過(guò)程，隨著溫度的 升高，氧的百分含量逐漸降低，這也可能是溫度升高使氧向基體內(nèi)部擴(kuò)散造成的，此時(shí)， 從 Fe的俄歇分譜 可以看出， Fe的俄歇特征峰強(qiáng)度增強(qiáng)，說(shuō)明加熱可能促進(jìn)了純鐵表面 的氧化反應(yīng)。 離子注入碳后鈾表面吸附行為研兜 圖 3． 13純鐵表面吸附和氯化過(guò)程 O／ Fe比 圖 3． 14氯化后純鐵加熱前后俄歇電子能譜圖 圖 3． 15純鐵氧化后 373K～ 523K加熱過(guò)程 圈 3． 16 373K～ 573K加熱過(guò)程 Fe的 AES 從圖 3． 13可知，本底真空吸附 16分鐘后， O,Fe的比為 0． 25，表明此時(shí)氧已經(jīng)在純 鐵表面吸附；當(dāng)充入氧氣 4． 1分鐘后， O忸 e的比為 1． 0，此時(shí)純鐵與氧氣可能已經(jīng)發(fā)生 反應(yīng)，但不能確定生成了氧化亞鐵；充入氧氣“． 9L后， O／ Fe的比為 1． 5，此時(shí)氧氣與 純鐵可能反應(yīng)生成氧化鐵。此時(shí) 從 Fe的俄歇分譜來(lái)看，充氧的過(guò)程中 Fe的俄歇峰形發(fā)生變化，可能是氧與純鐵發(fā)生了 強(qiáng)烈的化學(xué)作用。說(shuō)明氧可能只是吸附在純鐵表 面，并沒(méi)有與基體發(fā)生強(qiáng)烈化學(xué)反應(yīng)?！觥?h“ Cd” 豳 3． 9純鐵表面吸附及初始氧化過(guò)程 圖 3． 10不同 02暴露劑量下 Fe的 AES 圈 3． 11不同 Q暴露劑量下 Fe的 AES 圈 3J2純鐵衰面吸附和氯化過(guò)程 O(KLL)譜 圖 3． 9為純鐵室溫下吸附以及初始氧化的過(guò)程，吸附過(guò)程氧元素百分含量變化曲線(xiàn) 呈緩慢上升趨勢(shì)，說(shuō)明氧在純鐵表 面不斷地吸附。隨后，對(duì)樣品進(jìn)行加熱 實(shí)驗(yàn)，利用俄歇電子能譜儀的深度剖析功能收譜。 圖 3． 7純鐵及 Ar+蝕刻后純鐵襲面的俄歇屯子船譜 圖 3． 8純鐵裹面深度剖析 利用俄歇剖析方式探測(cè)室溫下純鐵的吸附和氧化過(guò)程，在超高真空中，首先對(duì)純鐵 表面進(jìn)行 Ar+濺射，然后在清潔純鐵表面進(jìn)行吸附氧氣和氧化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：首先 在 9．31 107P口壓力下進(jìn)行 16分鐘的本底真空下氧氣的吸附，再在 6． 67 104忍壓力下 充入約 40L氧氣氧化 14分鐘。圖 3． 8為機(jī)械拋光后純鐵 表面深度剮析，由圈可知，純鐵表面污染氧的含蠹較高，只有少量釣污染碳存在，隨著 濺射時(shí)間的增加，碳和氧元素的含量基本趨近與零。由圖可知，機(jī) 械拋光制樣的純鐵表面仍然存在少量的碳元素和氧元素，這些為純鐵表面污染的碳和 氧。 純鐵樣品經(jīng)過(guò)打磨、機(jī)械拋光制樣后送入 AES真空室中 ，利用 AES的燈離子槍 對(duì)樣品進(jìn)行原位濺射，直到完全探測(cè)不到表面碳、氧元素的信號(hào)。表層未被腐蝕的區(qū)域應(yīng) 該為注入碳離子集中的區(qū)域，說(shuō)明表面的碳離子注入層起到良好的抗電化學(xué)腐蝕的作 用。試樣表面主要以片蝕為主， 說(shuō)明純鐵的抗腐蝕能力較差，而其余三個(gè)試樣主要以點(diǎn)蝕為主，其中 4”樣品腐蝕最為明 顯。用能譜分析 44坑中的黑色小塊狀物，發(fā)現(xiàn)該 C1元素存在較明顯，從以上 分析可知，凡是帶黑色的塊狀物應(yīng)該就是腐蝕產(chǎn)物。試樣腐蝕坑中 cl元素存在較明顯一些，曉明 0。、 2“、 3。樣品 3’樣品 48樣品 44樣品 圖 3． 6純鐵及離子注入碳純鐵樣品電化學(xué)腐蝕后表面的 SEM圖 從圖 3． 6可知，純鐵及離子注入碳純鐵表面都有明顯的腐蝕現(xiàn)象。樣品 1。碳離子部分?jǐn)D入鐵基體的間隙，造成畸變，或與位錯(cuò)作用形成 Contrell氣團(tuán)，從而強(qiáng)化表層，提高離子注入層的耐蝕性。 離子注入層性能的明顯改善，主要是彌散作用和固溶強(qiáng)化共同作用的結(jié)果。高溫條件下能量從高到低的注入樣品 (44)的抗電化學(xué)腐蝕性能優(yōu)于低溫條 件下能量從高到低的注入樣品 (2。低溫條件下，能量從低到高注入樣品 (1 4)的抗電化學(xué)腐蝕能力優(yōu)于能量從高到低注入樣品 (2。 從表 3． 4可以看出，離子注入碳純鐵樣品的腐蝕電位明顯高于純鐵樣品的腐蝕電位， 由于 34樣品在注入過(guò)程中脫落，其極化電位與 0“樣品基本相同， 說(shuō)明碳離子沒(méi)有注入 到 38樣品表面。 由圖 3． 5可知，純鐵以及不同注入條件下的純鐵樣品都具有類(lèi)似的極化特性，五種樣 品的極化曲線(xiàn)趨勢(shì)基本相同，均處于活化體系，極化曲線(xiàn)趨勢(shì)很相近。E． ’ E4 CurrentdensLtyI}I^．Ⅲ 4) 圖 3． 5樣品的陽(yáng)極極化曲線(xiàn) 離子注入碳后鈾表面吸 駙行為研究 用 PowcrCorr軟件對(duì)極化曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，其結(jié)果如表所列。 銣 一 u笛．皇 — 乏上 I『 1鼉‘。對(duì) 0 ”、 1 2 3 44樣品進(jìn)行了陽(yáng)極極化曲線(xiàn)的測(cè)試。樣品 AES深度分析結(jié)果與模擬計(jì)算的結(jié)果最為相近，因此選擇它作為 離子注入碳后吸附及初始氧化行為研究的樣品。此時(shí)，從四個(gè)樣品的 Fe元素和 c元素的俄歇分譜 來(lái)看，離子注入碳后樣品表面有鐵碳化合物的生成，在碳含量的極大值點(diǎn)有無(wú)定型的碳 存在。從圖 3． 4中的四個(gè)圖對(duì)比可知， 24樣品的注入效果最為理想。表面吸附實(shí)驗(yàn)要求注入的碳離子在表面分布均勻且注入深度要深。 TRIM程序模擬計(jì)算可以為離子注入實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置提供參考。離子注入 深度等于濺射速率乘以濺射時(shí)間，根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)所得的濺射速率就 能估算出離子注入的 實(shí)際深度。、 44)比低溫下注入深度 (1 24)要深； 離子注入碳后鈾表面吸附行為研究 這是因?yàn)闇囟鹊纳呤棺⑷脒^(guò)程的熱擴(kuò)散和輻射增強(qiáng)擴(kuò)散效應(yīng)增強(qiáng)，有利于注入的碳離 子向基體內(nèi)擴(kuò)散，從而使注入層的厚度增加。 3． 4． 3離子注入碳純鐵表面 AlES深度分析 對(duì)不同溫度以及不同注入方式的離子注入碳純鐵樣品進(jìn)行 AES深度分析， AES 分析過(guò)程中心 +濺射速率相同，分析結(jié)果見(jiàn)圖 3． 4。在相同深度時(shí)，高溫注入樣品的 s￡大于低溫注入樣品，說(shuō)明高溫注 入引起的晶格混亂度要大于低溫注入。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 3． 3。因?yàn)闆](méi)有理想多晶體最強(qiáng)衍射強(qiáng)度值，只能進(jìn)行相對(duì)計(jì)算。 a 7為純鐵立方體系晶胞參 數(shù)。 )和高溫注入樣品 (39)進(jìn)行不同入射角度的 X射線(xiàn)衍射，通 過(guò)分析圖譜的變化，求出點(diǎn)陣靜畸變的相對(duì)大小。新相的形成對(duì)于離子注入樣 品表面吸附及初始氧化過(guò)程和電化學(xué)腐蝕過(guò)程都有很大的影響。 350 3∞ 重 8 蘭 200 ≤，∞ 疊 100 ∞ 0 加 4S ∞ 55 ∞ 皓 70 詩(shī) ∞ 85 2 ， degree 圖 3． 3高溫下碳離子注入純鐵樣品 XRD分析結(jié)果 高溫條件下碳離子注入純鐵樣品基體內(nèi)有 Fe2C、 Fe3C新相形成。 )的相結(jié)構(gòu)分析見(jiàn)圖 3． 3。表面缺陷的產(chǎn)生使得離子注入樣品表面的吸附位增 多，有利于環(huán)境中氣體在表面的吸附，但會(huì)降低離子注入樣品的抗氧化性和抗腐蝕性能。高溫注入樣品 (3 44)表面有明顯的缺陷產(chǎn)生。對(duì)于氣體原子 (如 He)在注入 過(guò)程中，當(dāng)注入離子在基材表面不斷積累產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力足夠大時(shí)，可能產(chǎn)生裂紋㈣ J，并 擴(kuò)散至表面，留下一些形狀較規(guī)則孔洞。樣品 圖 3． 2純鐵以及不同注入條件 C+注入純鐵樣品表面的 SEM圖 表 3． 3純鐵注入樣品編號(hào) 從圖 3． 2中可以看出，未注入樣品表面有劃痕和 少量污染物質(zhì)。樣品 離子注入碳后鈾表面吸附行為研究 3。 0。由于表面形貌變化與 C+注入時(shí)的溫度、束流密度和總劑量有關(guān)，表面形 貌分析時(shí)將同時(shí)提供 這些參數(shù)。實(shí)驗(yàn)采用兩種方式是為了對(duì)兩種注入方式的效果進(jìn) 行比較。高溫注入加熱方式是樣品臺(tái)懸空，外加陶瓷加熱器， 加熱溫度控制 在573K左右：注入?yún)?shù)設(shè)囂采用兩種方式：能量從低到高依次注入和能 量從高到低依次注入。 表 3． 2 純鐵離子注入碳所需時(shí)間 3． 3離子注入實(shí)驗(yàn) 碳離子注入純鐵實(shí)驗(yàn)在西南核物理研究院多功能離子注入增強(qiáng)沉積設(shè)備進(jìn)行．將拋 16 離子注入碳后鈾表面吸附行為研究 光純鐵片用丙酮清洗，自然干燥后，放入真空室進(jìn)行離子注入。 。 根據(jù)有效束流密度和注入時(shí)間，可以計(jì)算離子注入的劑量 (單位面積平均注入的離 子數(shù) )，公式如下： D：生 (3． 1) e 式中： 一束流密度， A／ cm2； f一時(shí)問(wèn)， 5； 乎一電子電荷， 1． 602 10‘ 1■設(shè)定 lOkeV注入 劑量為 1．0x1017ion／ cm2,則 20keV、 30keV、 45keV． 55keV的注入劑量分別為 1． 0x10’ 7ion／ cm。 離子注入碳后鈾表謠吸附行為研究 耋點(diǎn) ot O：∞∞ t∞ lira l口∞∞’●∞ 1_∞ t●∞：∞ OI掃 I口訊● qt∞№》 圖 3． 1純鐵 TRIM模掇計(jì)算結(jié)采 從圖 3． 1中可以看出單能量注入碳離子分布呈對(duì)稱(chēng)高斯分布，將各個(gè)能量疊加后碳 離子濃度分布向表面展寬。將幾組能量疊加作 圖，并且考慮注入劑量因子的變化，選擇 10keV， 20keV， 30keV， 45keV， 55keV能量段 入射，劑量因子以 lOkeV的為 1． 0，則其他能量對(duì)應(yīng)注入劑量因子為： 10— 1． 0； 20— 1． 0； 3