強流脈沖電子束鈦合金表面改性數(shù)值模擬.pdf

1、鈦合金由于具有高熔點、低密度、高強度等優(yōu)良的性能，廣泛的應(yīng)用于航天航空、生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)，因此，得到人們越來越多的重視。但是高溫易氧化、耐磨性差、難于提煉等缺點，限制了其應(yīng)用范圍。為了有效的降低鈦合金的生產(chǎn)成本、提高其綜合性能，研發(fā)新型的制造加工工藝迫在眉睫。強流脈沖電子束由于其對材料表面的特殊作用效果，已經(jīng)成為一種應(yīng)用廣泛的表面改性技術(shù)。我們用強流脈沖電子束處理鈦合金，鈦合金表層出現(xiàn)馬氏體結(jié)構(gòu)，可以使其表面硬度、磨損性能得到提高。本文主

2、要是利用數(shù)值模擬的方法并結(jié)合試驗結(jié)果，分析強流脈沖電子束在誘發(fā)固態(tài)相變方面的效果及作用機理，優(yōu)化鈦合金表面改性的工藝參數(shù)，提高鈦合金的表面性能，探索鈦合金新的工業(yè)應(yīng)用價值。
　　本文運用有限差分法和有限單元法，建立二維軸對稱模型，對β-Cez鈦合金在強流脈沖電子束作用下產(chǎn)生的動態(tài)溫度場和應(yīng)力場進行了數(shù)值模擬。計算時考慮了材料參數(shù)隨著溫度的變化和相變潛熱的影響。研究結(jié)果如下:
　　1、強流脈沖電子束處理β-Cez鈦合金的溫度場

3、顯示:以能量密度為3 J/cm2單次脈沖處理，在材料表層產(chǎn)生大約1.0μm的重熔層，表層升降溫速率高達109 K/s，在整個升降溫的過程中溫度變化速率不同，降溫過程中的速率較低，有明顯的凝固平臺。同一時刻的溫度梯度場顯示，不同位置的溫度梯度也存在較大的差異。由熱脹冷縮原理可知，溫度梯度會產(chǎn)生形變，材料克服形變會誘發(fā)應(yīng)力。由溫度場的影響區(qū)域和馬氏體相變層的厚度對比可知，溫度不是產(chǎn)生馬氏體相變的直接原因。
　　2、運用有限元分析軟件A

4、NSYS對強流脈沖電子束處理β-Cez鈦合金的應(yīng)力場進行數(shù)值模擬，計算結(jié)果顯示:在材料加熱過程中，溫度在深度方向上的不均勻變化會產(chǎn)生準靜態(tài)熱應(yīng)力，試樣表層0～2.4μm的范圍內(nèi)是壓應(yīng)力，最大值約為2.60 GPa，次表層2.4～12μm的深度內(nèi)有大于100 MPa的拉應(yīng)力。由馬氏體相變誘發(fā)應(yīng)力與溫度的關(guān)系得到準靜態(tài)熱應(yīng)力值不足以誘發(fā)深度為12μm的馬氏體相變層，而馬氏體相變最大的觸發(fā)應(yīng)力值與準靜態(tài)最大壓應(yīng)力值相當，說明馬氏體相變源于準靜