包壳管内壁表面螺旋波等离子体渗氮处理研究

核反应堆由于其苛刻的工作环境,面临着燃料与包壳管相互作用(包含机械和化学)等严重的材料科学问题.为了减少乃至阻止燃料的作用而又不牺牲包壳管的整体性,最实际的方法是在包壳管内表面涂覆硬度高、燃料扩散系数低的涂层.本文采用小口径(10 mm)、稳态、高通量N2/Ar螺旋波等离子体在450℃下对细长316 L奥氏体不锈钢管的内壁表面进行渗氮处理.采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能量色散X射线光谱仪和显微硬度计表征了渗氮层的微观结构、厚度、表面形貌及其表面硬度性质.实验结果表明,渗氮层主要为膨胀奥氏体相γN相,并没有发现CrN和铁氮化合物的析出.经电感耦合等离子体(ICP)和螺旋波等离子体(HWP)处理后,渗氮层的显微硬度呈上升的趋势,但HWP渗氮(硬度高达1815 HV,厚度为23μm)处理后,不锈钢管内表面硬度是ICP渗氮的1.5倍,这归因于在HWP放电模式下,等离子体具有更高的N+密度.考虑到易于在口径非常小的细长管中控制N2等离子体放电,为实现细长管内壁表面渗氮开辟了一条新的途径.