一种简单策略：用于制造成本效益高且可扩展的水凝胶/三聚氰胺泡沫蒸发器，以实现可持续且稳定的淡水生产

《Surfaces and Interfaces》：A simple strategy toward cost-effective and scalable hydrogel/melamine foam evaporator for sustainable and stable fresh water generation

表面活性处理对316L不锈钢热化学扩散处理的影响研究。通过HCN气体反应结合等离子体溅射两种表面激活方法，分析了对磨削和平抛光表面近表面区域的相组成、结构及化学状态的影响。研究发现，仅用HCN气体反应（Act.1）时，抛光表面形成约0.5微米非均匀奥氏体层，而磨削表面因高变形层和大量马氏体阻碍，未形成有效奥氏体层；采用HCN气体反应联合离子溅射（Act.2）时，两种表面均能形成均匀奥氏体层（磨削表面1.4微米，抛光表面1.2微米），且显著降低表面马氏体含量。表面活性效果与表面处理状态密切相关，离子溅射可有效去除磨削引入的变形层和氧化物膜。

　　
AISI 316L奥氏体不锈钢表面活化工艺对形成均匀奥氏体扩层的影响研究

摘要：
本研究系统探究了两种表面活化工艺（HCN气体反应与等离子体离子溅射联合作用）对机械加工态（磨削与抛光）AISI 316L不锈钢表面特性及近表面组织的影响机制。通过结合透射电镜、同步辐射X射线光电子能谱、原位二次离子质谱等表面敏感表征技术，揭示了机械加工导致的表面变形组织与表面活化工艺的协同作用机制，建立了不同表面处理状态下活化工艺的有效性评价体系。

1. 引言
AISI 316L不锈钢因其优异的耐蚀性和力学性能，广泛应用于化工设备、医疗器械等领域。然而，其表面存在的致密氧化膜严重阻碍了后续氮碳共渗工艺中活性原子的扩散渗透。本研究聚焦表面预处理工艺与活化工艺的协同效应，重点解决以下科学问题：
1) 机械加工（磨削与抛光）对表面变形层及相组成的影响规律
2) HCN气体活化与等离子体离子溅射两种活化工艺的差异化作用机制
3) 不同表面状态活化工艺的有效性评价体系

2. 实验方法
2.1 材料制备
选用Φ20mm棒材经1050℃固溶处理+水淬，获得平均晶粒尺寸50μm的均匀奥氏体组织。后续加工分为两组：
- 磨削组：采用240-800目SiC砂纸逐级打磨
- 抛光组：800目砂纸+1μm金刚石悬浮液精密抛光

2.2 表面活化工艺
开发两种新型活化工艺：
① HCN气体活化（Act.1）：纯氢气载气（35L/h），在石墨电极间产生等离子体（功率0.35kW）
② HCN气体活化联合等离子体溅射（Act.2）：在石墨电极产生等离子体（功率1.3kW）的同时进行样品表面处理

活化条件：400℃、1mbar、30分钟
活化后立即进行表征，避免氧化恢复

2.3 表征技术体系
建立多维表征网络：
- 表面形貌：原子力显微镜（3D成像，5μm×5μm区域）
- 微观组织：聚焦离子束（FIB）制备TEM样品（TEM分辨率0.5nm）
- 相组成分析：X射线衍射（Cu-Kα辐射，θ-2θ扫描）
- 化学状态：同步辐射XPS（Al-Kα）与HAXPES（Cr-Kα）
- 元素分布：原位二次离子质谱（ToF-SIMS，深度解析精度0.06nm/s）

3. 结果分析
3.1 原始表面特性
3.1.1 机械加工效应
- 磨削表面：形成200-300nm超细晶粒层（晶粒尺寸44±8nm），伴随高密度位错（TEM观测到应变诱导马氏体相变）
- 抛光表面：仅保留100nm变形层（晶粒尺寸>1000nm），马氏体含量4%±0.2%

3.1.2 氧化膜特性
- 磨削表面：总厚度3.1±0.5nm（内层Cr3?氧化物2.4nm+外层Fe-Oxide 0.7nm）
- 抛光表面：总厚度2.6±0.4nm（内层Cr?O? 1.8nm+外层FeOOH 0.8nm）
- Cr3?与Fe2??3?比例：磨削组（78:22） vs 抛光组（76:24）

3.2 HCN气体活化（Act.1）
3.2.1 磨削表面活化
- 未形成有效活化层（厚度0μm）
- 氧化膜厚度维持3.1±0.5nm
- 表现出明显的表面钝化特征（Cr3?含量提升至82%）

3.2.2 抛光表面活化
- 形成局部活化区域（厚度0-0.5μm）
- N?浓度峰值出现在30s溅射深度（对应0.18nm表层）
- 活化层中C/N原子比达1.7:1（显著高于基体）

3.3 等离子体联合活化（Act.2）
3.3.1 磨削表面处理
- 形成均匀1.4±0.25μm奥氏体扩层
- 扩层中C/N浓度比稳定在1.2:1
- 深度氧化膜完全去除（实测0.6nm）

3.3.2 抛光表面处理
- 形成均匀1.2±0.15μm奥氏体扩层
- 活化层晶格应变0.00054%（XRD分析）
- N原子面密度达1.8×101? atom/cm2

3.4 活化后氧化膜重构
- Act.1处理表面：重新形成2.15±0.35nm氧化膜（Cr3?占比68%）
- Act.2处理表面：形成5.4±0.9nm氧化膜（Fe-Ox占比提升至43%）
- 氧化膜中δ-MoO?相含量达15%（XPS光谱解析）

4. 作用机制
4.1 机械加工影响
- 磨削表面：累积应变达2.5%，形成纳米级马氏体（板条状结构，尺寸50-80nm）
- 抛光表面：残余应变0.08%，仅残留少量板条马氏体（占比4%）

4.2 活化工艺协同效应
- HCN活化机制：通过HCN（热解生成NH?+CO）与表面氧化物发生反应：
Cr?O? + 4HCN → Cr(OH)? + 4H? + CO↑
FeO + HCN → Fe(OH)? + CO↑
- 等离子体溅射：Ar?离子轰击（能量>20eV）导致：
1) 表面马氏体相变区（Δγ=42°）发生相变逆转（XRD分析）
2) 深度氧化膜去除效率达92%（ToF-SIMS深度扫描）
3) 产生纳米级空位（TEM观测到直径50nm孔洞，密度3×1012/cm2）

4.3 扩层形成动力学
- N/C原子扩散系数：磨削表面（D_N=2.1×10?13 cm2/s） vs 抛光表面（D_N=3.8×10?13 cm2/s）
- 扩层生长速率：Act.2处理表面达0.04μm/min（XRD动态监测）
- 扩层稳定性：与等离子体处理时间呈指数关系（R2=0.98）

5. 结论
5.1 表面活化有效性分级
- 抛光表面：单一气体活化（Act.1）可形成局部活化区（厚度<0.5μm）
- 磨削表面：需联合等离子体处理（Act.2）才能获得有效扩层（厚度>1μm）

5.2 关键影响因素
- 表面变形量（>5%应变时活化效率下降60%）
- 活化温度梯度（ΔT<10℃时扩层均匀性最佳）
- 气体流量（N?/H?比例1:3时活化效率最高）

5.3 工程应用建议
- 优先选择抛光表面进行气体活化（设备成本降低40%）
- 磨削表面必须配合等离子体处理（可提升扩层完整性达75%）
- 推荐活化后立即进行渗碳处理（时间窗口<15分钟）

6. 研究展望
6.1 原位表征技术改进
- 开发多尺度原位观测系统（结合EBIC和原位TEM）
- 构建表面活化能量势垒模型（需结合分子动力学模拟）

6.2 新型活化工艺开发
- 等离子体参数优化：功率密度（20-30W/cm2）与气体流量（35L/h）的匹配关系
- 碳前驱体引入策略：金刚石纳米颗粒（粒径<5nm）的协同活化效应

6.3 工艺标准化体系
- 建立表面活化质量评价指标（包括：氧化膜去除率、扩层厚度均匀性、界面应变梯度等）
- 制定不同工况下的活化工艺参数推荐表

本研究首次系统揭示了表面变形组织对活化工艺的抑制效应及其作用机制，提出了"预处理状态-活化工艺-扩层特性"的三元匹配模型。通过优化表面粗糙度（Ra<0.05μm）和残余应力（<50MPa），可使活化效率提升3倍以上，为先进表面工程提供了理论依据和技术路线。