《Thin Solid Films》：Effect of oxygen ion implantation on electrochemical corrosion studies of carbon steel
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碳钢表面经氧离子注入优化后形成磁铁矿涂层，显著提升腐蚀电阻。实验采用200-1000 keV能量和1×101?-1×101? ions/cm2剂量注入，通过GI-XRD和FE-SEM分析相组成与表面形貌，结合电化学测试（EIS和PDAP）验证最佳参数为500 keV和5×101? ions/cm2。注入促进磁铁矿涂层与基体界面形成，降低LiOH介质中腐蚀。
苏玛蒂·苏雷什（Sumathi Suresh）|桑塔努·贝拉（Santanu Bera）|J. 纳瓦斯（J. Navas）|K. 苏雷什（K. Suresh）|查·贾加迪斯瓦拉·拉奥（Ch. Jagadeeswara Rao）|T.V. 克里希纳·莫汉（T.V. Krishna Mohan）
印度泰米尔纳德邦卡尔帕卡姆（Kalpakkam），603102，巴巴原子研究中心（Bhabha Atomic Research Centre）水与蒸汽化学部
摘要
碳钢是加压重水反应堆主要热传输系统的结构材料。通常，通过在碳钢表面形成磁铁矿薄膜（通过水热过程，也称为热处理）来减缓其腐蚀。本研究旨在通过O+离子注入来改进碳钢表面磁铁矿薄膜的组成和界面，以进一步提高其耐腐蚀性。碳钢样品接受了能量在200至1000 keV之间、剂量为1×1015至1×1017 ions/cm2的O+离子注入。通过优化离子注入剂量和能量，在磁铁矿涂层形成前将氧气引入碳钢的亚表面区域，并尽量减少损伤。利用掠入式X射线衍射（Grazing Incident-X-Ray Diffraction）和场发射扫描电子显微镜（Field Emission-Scanning Electron Microscope）分别研究了O+离子注入前后碳钢的相结构和表面形态。通过电化学方法研究了O+离子注入对碳钢耐腐蚀性的影响。结果发现，在磁铁矿涂层形成前采用500 keV的注入能量和5×1015 ions/cm2的剂量可显著降低碳钢的腐蚀程度。这种腐蚀抑制效果可以通过测量磁铁矿薄膜的形态变化以及离子注入导致的磁铁矿薄膜与碳钢之间更宽的界面形成来解释。
引言
碳钢（CS）是加压重水反应堆主要热传输系统的关键构建材料，而腐蚀问题是其中的重要问题。在碱性水环境中，碳钢表面形成的磁铁矿（Fe3O4）薄膜能够形成致密的界面，从而降低腐蚀速率[1]。虽然如此，在恶劣的外部环境条件下仍需进一步减缓腐蚀。常用的方法包括溶胶-凝胶法、电化学方法[2,3]、电镀、微等离子体处理[4,5]、真空离子注入[6,7]、磁控管和真空电弧沉积[8,9,10,11]等，以在碳钢表面形成防护涂层。其中，离子注入被认为是改善金属与氧化物界面特性的最有效方法之一[12]，并且已有大量文献报道其在提高钢材和合金耐腐蚀性方面的应用[13]。离子注入能够调整表面性能（如耐腐蚀性、疲劳强度、耐磨性、硬度、附着力、韧性、摩擦性能、介电性质、电阻率、磁性能和超导性），同时不改变材料的整体特性。该过程需要离子源和将离子注入合金表面的方法，常见的方法有（1）离子束注入（将离子束导向基底）和（2）等离子体注入（利用等离子体产生的离子进行加速注入）。其主要优势在于能够在低温下对基底表层进行精确改性，同时几何变形最小[14]。然而，由于对工艺参数（如能量、电流密度和剂量）对离子注入过程中物理化学过程的影响了解不足，相关研究结果仍有限。氮离子束是用于不同合金离子注入的常用离子之一。本研究通过3D离子注入技术研究了在不同处理时间和电位差下掺氮碳钢的表现[15]，发现腐蚀产物主要为铁氧氢氧化物，但未检测到氮化物的形成。还利用计算工具研究了氮离子和钛离子在铬钼低合金碳钢亚表层中的注入效果[16]，结果表明氮离子和钛离子的浓度随注入时间增加而升高。氧离子（O+）注入可改善高温下的腐蚀、氧化和耐磨性。Guseva等人[17]研究了氧离子注入对各种WC-Co工具耐磨性的提升作用。氧离子注入增强钢材耐腐蚀性的效果取决于注入参数（剂量和能量）、钢材成分及腐蚀环境等因素。本研究通过氧离子注入探讨了这些参数与碳钢腐蚀行为之间的关系，指出离子注入可能根据具体条件改善或加剧腐蚀现象[18,20]。
为了获得最佳的防腐蚀效果，需要选择合适的氧离子能量和剂量。本研究采用不同剂量和能量的O+离子对碳钢表面进行了改性，并通过掠入式X射线衍射（GI-XRD）确认了相变情况，利用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）分析了表面形态。在室温（RT）下，通过电化学阻抗谱（EIS）和电位动态阳极极化（PDAP）测试了O+离子剂量和能量变化对碳钢腐蚀性能的影响，并在本文中讨论了实验结果。氧离子注入后，将样品置于高温高压釜（250 °C）中以形成Fe3O4涂层，随后对涂层样品进行了表征，以研究薄膜与碳钢基体之间的界面。本研究探讨了不同剂量和能量下氧离子注入碳钢的腐蚀行为。选择氧离子是因为它对铁有亲和力，并能在高温下通过形成磁铁矿薄膜来钝化碳钢。初始实验中使用的能量范围为200 keV至1 MeV，剂量范围为1×1015至1×1017 ions/cm2，剂量逐步增加2或5倍。能量和注量的选择考虑了离子穿透深度、加速器产生的O+离子所需能量以及实验时间等因素。这种技术除了能够利用水热过程形成的磁铁矿涂层外，对于减少碳钢腐蚀具有显著效果。通过降低腐蚀，还能减少核电站的放射性活化，从而使核反应堆的设计、运行和维护更加环保和人性化。
氧离子注入后，利用FE-SEM、GI-XRD、接触角测量和辉光放电光谱（GDOES）分别研究了表面的微观结构、相变、润湿性和成分。
实验方法
样品制备、离子注入所用加速器参数的描述以及样品在高压釜中的高温处理细节详见后续章节。结果与讨论
了解植入或水热处理后碳钢样品的腐蚀行为，研究O+离子注入深度及其分布至关重要。有多种离子束分析模型可用于估算注入深度。本研究所得结果将在后续章节中进行讨论。O+离子注入在形成耐腐蚀磁铁矿涂层中的作用
离子注入技术通过精确的材料改性显著推动了科学和工程的发展，为提高碳钢的耐腐蚀性提供了新的应用前景。研究发现，O+离子注入碳钢后会在磁铁矿（Fe3O4）薄膜中引起两种变化：表面形态和碳钢与氧化物的界面性质。即使在Fe3O4形成之前，离子注入过程也会改变接触角。结论
本研究旨在通过氧离子注入延长碳钢的使用寿命和耐久性，同时尽量减少腐蚀和放射性问题。优化了O+离子在碳钢中的注入剂量和能量，发现不同剂量下的耐腐蚀性顺序为：5×1015> 1×1016 > 1×1015 > 1×1017 > 原始碳钢 > 5×1016。较低剂量的O+离子注入能够使碳钢的腐蚀倾向向更稳定的方向转变。作者贡献声明
苏玛蒂·苏雷什（Sumathi Suresh）：概念构思、数据整理、数据分析、方法研究、资源调配、结果验证、可视化处理、初稿撰写及修订。
桑塔努·贝拉（Santanu Bera）：数据分析、资源调配、结果验证、初稿撰写及修订。
J. 纳瓦斯（J. Navas）：资源调配。
K. 苏雷什（K. Suresh）：资源调配、初稿撰写及修订。
查·贾加迪斯瓦拉·拉奥（Ch. Jagadeeswara Rao）：资源调配、初稿撰写及修订。
T.V. 克里希纳·莫汉（T.V. Krishna Mohan）：结果审阅及修订。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益或个人关系。致谢
作者感谢A.L. Rufus博士在掠入式X射线衍射（GI-XRD）研究方面的支持，以及Amirthapandian博士在场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）表征方面的帮助。特别感谢Girija Suresh博士对本文的仔细审阅。
