铀表面氮化对铀上镀钛界面结合的影响

金属铀在核燃料领域有着非常重要的应用,然而由于铀拥有特殊的外层电子,因此性质非常活泼,极易遭受腐蚀,铀的使用过程中必须考虑腐蚀防护。通过物理气相沉积的方法在铀表面制备防腐蚀薄膜是一种有效地防腐蚀手段,但是实际工艺中,铀易氧化的特性使得膜基界面形成氧化层,影响长期应用中的膜基结合力。本文采用离子氮化技术对铀进行预处理,采用磁控溅射技术在铀和氮化铀表面镀Ti薄膜进行对比,利用扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱、俄歇电子能谱等对薄膜和膜基界面进行物相和元素分析,对氮化预处理对于膜基结合的影响进行研究。为了检验薄膜的抗腐蚀能力和膜基结合强度,对样品进行了电化学分析和压痕分析。对离子氮化后的样品进行X射线衍射分析,结果表明表面主要为三氮化二铀。离子氮化后至镀膜之前,需要经过一系列的镀膜前处理,考察氮化铀在镀膜前处理过程中的稳定性,采用俄歇电子能谱深度剖析对前处理过程中的氮化铀样品进行分析,结果表明,氮化铀在短时间大气放置、真空烘烤过程中基本无变化,氩离子溅射处理过程对氮化铀表面产生一定的影响。采用1.5 KV、16 KV和36 KV的氩离子对氮化铀进行轰击,利用X射线光电子能谱深入分析离子溅射对氮化铀的影响,结果表明,随着轰击能量的增加,表面成分变化为UNxOy-UO2-UO2+x.表面氧化程度增加,但离子轰击对氮化铀的影响主要发生在表面,并未影响到整个氮化铀的结构。通过磁控溅射在铀和氮化铀表面分别制备得到Ti薄膜,所获得薄膜的晶面取向并不一致,分析表明膜基过渡层的改变使得薄膜沉积的晶面取向变化。XPS对界面的深度剖析表明,铀表面镀Ti薄膜膜基过渡层主要成分为金属铀和氧化铀共存,而氮化铀表面镀Ti薄膜的界面只有很薄的氧化铀层,深度剖析后迅速变为氮化铀,氧化层的厚度大大减小,并且基底为氮化铀的情况下,氧的扩散难以进行,膜基结合更加有利。高真空环境下氮化铀表面镀Ti的AES分析验证了氮化预处理对于界面的调控作用,氧化过渡层可以控制在AES表征范围之内。而N元素的KLL谱有向高能端移动的趋势,表明有低价态的氮元素的存在,可能是由于N元素与Ti发生发应形成低价态的钛氮化物,对于膜基结合的加强十分有利。铀表面镀Ti和氮化铀表面镀Ti的电化学分析结果表明,氮化铀表面镀Ti薄膜的自腐蚀电位较高,动电位极化曲线的斜率较大,而电化学阻抗谱的容抗弧较大,低频端阻抗幅值大,各方面防腐蚀能力都强于铀表面镀Ti薄膜。在维氏硬度计上采用压痕法对膜基结合强度进行表征,铀表面镀Ti薄膜在压力为3 N时出现表面裂纹,而氮化铀表面镀Ti薄膜在压力为5N时出现表面裂纹,通过模型计算,二者的膜基结合力分别为278.45 MPa和322.59 MPa,氮化铀表面镀Ti膜基结合力更强。性能考察表明氮化预处理对Ti薄膜防腐蚀性能和膜基结合都有良好的改善作用。