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渗氮处理是一类发展已久的表面改性技术,对铀表面进行渗氮处理具有良好的抗氧腐蚀效果,但其抗氧腐蚀机制未明。本文采用俄歇电子谱仪(AES)和X射线光电子谱仪(XPS)系统研究了室温下金属铀表面氮化层(U2N3+x)在氧化初始阶段和实验室大气气氛存放环境下的氧化行为,并利用X射线衍射仪(XRD)在线原位观察了氮化层的升温氧化行为,探寻它的抗氧腐蚀机理。采用直流辉光等离子体氮化技术制备出两批具有不同N：U的氮化样品1#和2#,氮化层主要成分为U2N3+X,AES定量计算显示其N：U分别为1.70和1.66。结合XPS和AES谱峰分析发现氧化初始阶段和实验室大气气氛存放环境下,氮化层表面所形成的氧化层的主要成分并非UO2±x而可能是UNxOy;对氧化层进行深度剖析后发现AES谱峰峰位先向低动能端移动后向高动能端移动,这种移动现象类似金属铀表面氧化层,推测是由氧化层内物质导电性变化所引起的费米能级相对于仪器费米能级的移动所致；深度剖析结果显示氮化层表面氧化导致氮原子有向氧化层内部富集的趋势,即在氧化过程中发生了氧原子对氮原子的置换,被置换出的氮原子向内扩散；XPS观察到表面约0.5nm深度内N1s峰峰位不同于其他深度,位于395.8eV的低结合能处,分析认为此峰代表以化学吸附形式停留在氧化层中的氮原子；故而氧化反应中被氧原子置换出的氮原子可以化学吸附的方式停留在氧化层中,也可向内扩散从而导致氧化层内氮的富集。XPS差分峰分析以及U4f7/2峰的拟合分析结果表明在氧化初始阶段氮化层的氧化可能形成了两种氧化态的UNxOy,分析表明低氧化态的UNxOy可能由氧原子占据α-U2N3晶格中16(c)的氮空位形成,高氧化态的UNxOy由氧原子置换U2N3中的氮原子形成。比较两批氮化样品的氧化行为时发现1#和2#在氧化初始阶段以及大气存放环境中都表现出更强的氧化趋势,推测二者在初期表现出的不同的氧化速率与它们各自的氮空位浓度有关；二者表面曝氧后显示出相似的XPS谱峰以及AES谱峰,深度剖析结果显示二者表面的氧化层结构类似。加热条件下2#的XRD原位氧化实验表明手套箱气氛中(He气保护)氮化层在低于300℃时加热5min各衍射峰强度没有明显变化,300℃时U2N3+x的(440)衍射峰向低衍射角方向移动,其余衍射峰几乎保持原位,350℃氮化层表面明显氧化,但即使在此温度加热65min也并未观察到其他高价氧化物衍射峰,推测在氧化层与氮化层间出现的由UNxOy与更高N：U氮化物所形成的中间层具有良好的阻氧能力,使得热氧化过程中没有观察到更高价态铀氧化物的衍射峰。