等离子体基低能氮离子注入AISI 316奥氏体不锈钢的半导体特性研究

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采用等离子体基低能氮离子注入技术对AISI 316奥氏体不锈钢进行表面处理。利用X射线衍射仪(XRD)分析改性层的表面相结构;通过阳极极化曲线、电化学交流阻抗谱(EIS)和Mott-Schottky曲线测量技术研究改性层在3.5% NaCl溶液中的耐点蚀性能与其半导体特性的关系:并用ZsimpWin软件对EIS拟合,确定合适的模型,获得电极反应的动力学参数,探讨等离子体基低能氮离子注入AISI 316奥氏体不锈钢改性层的钝化膜的耐点蚀机理。研究结果表明:等离子体基低能氮离子注入AISI 316奥氏体不锈钢表面形成单一的γN相改性层,在3.5% NaCl溶液中,阳极极化行为由原始AISI 316奥氏体不锈钢的自钝化-点蚀击穿过程转化为自钝化-过钝化溶解过程,γN相改性层未发生点蚀,自腐蚀电位提高64 mV,维钝电流密度降低一个数量级,具有优异的抗点蚀性能。等离子体基低能氮离子注入AISI 316奥氏体不锈钢在3.5% NaCl溶液中的等效电路模型为R(QR)(QR),与原始AISI 316奥氏体相比,γN相改性层的钝化膜电阻R1增大一倍,代表电容特性的Y0值降低,电极反应阻力增大,钝化膜的致密性显著提高;随着浸泡时间的增加,γN相改性层钝化膜电阻相近,保持在105Ω量级,具有良好的稳定性。γN相改性层在3.5% NaCl溶液中形成的钝化膜在外加电压高于平带电位时,表现为n型半导体(Fe2O3),在低于平带电位时,表现为p型半导体(Cr2O3);与原始AISI 316奥氏体不锈钢相比,γN相改性层的施主浓度、受主浓度及平带电位分别从2.4×1021 cm-3、4.57×1021 cm-3和-547 mV降低至6.9×1018 cm-3、6.21×1019 cm-3和-669 mV,氧空位扩散系数从4.4×10-17 cm2·s-1增加至5.7×10-15 cm2.s-1。表明YN相改性层中的氮主要占据钝化膜中n型半导体的氧离子空位,促进了钝化膜的增厚与致密;同时表面溶解的氮形成NH4+,增加了OH-在钝化膜表面的吸附,排斥了界面吸附的Cl-,有利于提高γN相改性层的耐点蚀性能。
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