奥氏体不锈钢中开放团簇特征及其增强氮扩散机理研究

A nitrogen-supersaturated γN phase (10-35 at.%) can form by low-temperature plasma nitriding into austenitic stainless steel. The central process for the formation of γN phase is the rapid diffusion of nitrogen in γN phase, which is 4-5 orders of magnitude faster than that in austenitic steel. However, since there is a blocking effect of Cr on N diffusion due to the Cr-N attraction, it is relatively difficult to illustrate the rapid diffusion of nitrogen. In this project, a enhanced diffusion mechanism by the open cluster (Fe,Ni)nCr6-nN is proposed. The plasma source ion nitriding process with an independent intellectual property rights is utilized to modify austenite stainless steel. Through a combination of electron microscopy techniques, including electron diffraction and electron energy-loss spectroscopy, and molecular dynamics simulation, the relationship between cluster features and nitriding process is established. The quantitative relationship between cluster openness and diffusion rate, activation energy is explored. Then, the enhanced diffusion mechanism by the open clusters due to the formation of rapid diffusion channels is illustrated. Then, the low-temperature plasma nitriding process is optimized according to the feautres of the clusters and the enhanced diffusion mechanism. The results will provide the theoretical basis and the technical support for the application of the low-temperature plasma nitriding technique on key components of nuclear main pump.

奥氏体不锈钢等离子体低温渗氮形成氮超高过饱和（10-35 at.%）γN相表面改性层的过程中，核心特征是氮快速扩散。氮在γN相中的扩散速率比奥氏体不锈钢中快4-5个数量级。针对Cr-N强吸引作用使铬阻碍氮扩散，导致难以阐明氮快速扩散机理的问题，本项目提出了开放八面体团簇(Fe,Ni)nCr6-nN增强氮扩散机理。采用自主知识产权的等离子体源离子渗氮技术改性处理奥氏体不锈钢，应用电子衍射、电子能量损失谱等电子显微学方法并结合分子动力学模拟，探明γN相中的团簇特征与工艺条件关系，建立团簇开放度与氮扩散速率和活化能之间的定量关系，阐明开放团簇通过形成快速扩散通道增强扩散的机理。进而建立团簇特征对γN相高硬度和耐磨抗蚀复合性质的影响规律，基于开放团簇特征及其增强扩散机理，优化低温渗氮工艺，为奥氏体不锈钢等离子体低温渗氮技术在核主泵关键零部件中的应用提供理论基础和技术保障。

奥氏体不锈钢等离子体低温渗氮会形成氮超高过饱和（10-35 at.%）γN相表面改性层，具有优异的耐磨抗蚀复合性质。渗氮层制备的核心特征是氮的快速扩散，比奥氏体不锈钢中快4-5个数量级。针对Cr-N强吸引作用阻碍氮扩散，导致难以阐明氮快速扩散现象的问题，本项目提出了开放八面体团簇(Fe,Ni)6-nCrnN增强氮扩散机理。项目按计划进展顺利，还开展了原计划未列入但与项目密切相关的工作，包括γN相中高密度层错结构模型和过饱和氮对耐辐照性质的影响机制，超额完成了预期目标。.采用自主知识产权的等离子体源离子渗氮技术改性处理AISI 304L奥氏体不锈钢，系统表征并模拟了渗氮层中八面体团簇Fe6-nCrnN的结构特征、团簇组合和分布规律。建立γN相结构模型，模型中含有弥散分布的短程有序团簇，这些团簇是由八面体团簇以共棱模式组合形成，Cr原子占据组合的共用位置。同时，发现了渗氮层中层错簇结构，采用含层错簇的FCC结构模型拟合了XRD谱线和TEM选区衍射花样中的主要特征，是迄今为止拟合优度最高的结果。.在短程有序团簇结构模型基础上，模拟团簇结构和分布对N扩散速率和路径的影响规律，建立了N原子快速扩散通道模型。团簇周围N原子受到八面体团簇Fe6-nCrnN的排斥作用，远离团簇快速扩散。因此在γN相中弥散分布的不同尺寸的团簇会形成N原子快速迁移通道，使N原子实现快速扩散。.系统表征不同工艺条件下制备的表面改性层性质，阐明工艺条件、团簇结构和分布等对γN相耐磨、抗蚀、耐辐照等性质的影响规律。进而提出了奥氏体不锈钢等离子体低温渗氮优化工艺，实现高质量、高稳定性和高效率的奥氏体不锈钢低温渗氮表面改性。.本项目研究结果为奥氏体不锈钢等离子体低温渗氮技术在核主泵关键零部件中的应用提供理论基础和技术保障，并为该技术在燃料电池双极板的推广应用提供基础。