強(qiáng)流脈沖電子束材料表面改性基礎(chǔ)研究：在金屬及金屬間化合物上的應(yīng)用.pdf

1、強(qiáng)流脈沖電子束是近年來(lái)發(fā)展迅速的一項(xiàng)新興表面改性技術(shù)?；谝酝膶?shí)驗(yàn)和理論研究結(jié)果以及本文對(duì)不同材料表面處理的探索，脈沖電子束對(duì)材料表面的改性處理可以分為三種模式，即“未熔”，“熔化"和“汽化”處理模式，它們分別取決于電子束轟擊參數(shù)和被處理材料的物理性能。本文分別建立了材料在三種脈沖處理模式下的物理模型并給出了相應(yīng)的模擬計(jì)算結(jié)果。 在未熔模式下的模擬計(jì)算結(jié)果揭示了以下一些現(xiàn)象： 1)脈沖電子束在材料表層誘發(fā)的準(zhǔn)靜態(tài)熱應(yīng)力具有各向

2、異性特征，其大小約在數(shù)百M(fèi)Pa量級(jí)，足以在材料表層產(chǎn)生塑性變形；2)熱應(yīng)力波的幅值大約在數(shù)十kPa量級(jí)，因此可以忽略其影響。電子束轟擊所誘發(fā)的熱和應(yīng)力循環(huán)可以在未熔模式下對(duì)材料表層產(chǎn)生強(qiáng)烈的改性效果。 在熔化模式下的模擬計(jì)算結(jié)果揭示了以下一些現(xiàn)象：1)熔化開(kāi)始于材料的次表層；2)熔化層厚度取決于材料的物理性質(zhì)和脈沖處理參數(shù)，計(jì)算的熔化層深與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好；3)熔層的凝固速率約為幾m/s。次表層熔化是產(chǎn)生火山坑和沖擊熱應(yīng)力的一個(gè)

3、重要原因，而快速凝固則使得熔化層均勻化并引發(fā)晶粒的特殊生長(zhǎng)行為。 在汽化模式下的模擬計(jì)算可以定量的描述汽化過(guò)程和汽化層厚度。以上的這些模型是理解脈沖電子束在材料表層誘發(fā)的各種特殊現(xiàn)象的有力工具。 在實(shí)驗(yàn)方面，應(yīng)用TEM，SEM，EBSD，XRD以及SNMS等表征手段系統(tǒng)的分析了電子束處理在不同金屬及金屬間化合物材料上誘發(fā)的表面改性，并進(jìn)行了詳細(xì)探討。在三種處理模式下觀察到的不同現(xiàn)象分別列于以下三個(gè)部分中。 一.熔

4、化處理模式下的主要結(jié)果如下： 1．重熔層的均勻化。材料表層中的夾雜物是脈沖電子束轟擊過(guò)程中表面火山坑形成的核心，其噴發(fā)使得表層獲得選擇性凈化。因此，強(qiáng)流脈沖電子束是一種實(shí)現(xiàn)含夾雜材料表層均勻化的有效方法。 2．超細(xì)晶和納米結(jié)構(gòu)的形成。通過(guò)非?？焖俚哪踢^(guò)程和冷卻過(guò)程中的固態(tài)馬氏體相變，材料表層可以獲得超細(xì)晶和納米結(jié)構(gòu)。本論文的結(jié)果顯示了強(qiáng)流脈沖電子束實(shí)現(xiàn)材料表面納米化從而獲得高性能表面的巨大潛力。 3．亞穩(wěn)相的形

5、成。脈沖電子束在材料表層誘發(fā)的超快速熱循環(huán)可以產(chǎn)生亞穩(wěn)相，特別是在各種鋼的表層。例如脈沖電子束處理可在D2鋼表層生成奧氏體并且由于尺寸效應(yīng)和Cr、C的穩(wěn)定化效應(yīng)而保留至室溫。 4．特殊的凝固織構(gòu)。脈沖電子束處理在D2鋼表層凝固產(chǎn)生的奧氏體具有特殊的織構(gòu)，即平行于樣品法向的強(qiáng)<220>纖維織構(gòu)和弱<200>纖維織構(gòu)的混合，在NiTi合金表面則生成了平行于樣品法向的強(qiáng)<110>纖維織構(gòu)，同時(shí)晶粒間有較高比例的孿晶界，這些孿晶界在形成

6、特殊凝固織構(gòu)的過(guò)程中起到了重要作用。 5．表面合金化。脈沖電子束表面合金化是提高材料性能的一種有效方法。預(yù)先涂覆的材料可以在熔化過(guò)程中被快速的熔入基體材料中，從而改變基材的表層結(jié)構(gòu)、相組成和成分。 6．次表層硬化。脈沖電子束誘發(fā)的沖擊熱應(yīng)力波可以改變熱影響區(qū)之外的材料結(jié)構(gòu)和性能，例如可以在數(shù)百微米范圍內(nèi)使材料次表層產(chǎn)生硬化效果。 二.脈沖電子束轟擊所誘發(fā)的熱和應(yīng)力循環(huán)可以在未熔模式下對(duì)材料表層產(chǎn)生強(qiáng)烈的改性效果。

7、在未熔模式下的主要結(jié)果如下： 1．熱應(yīng)力循環(huán)的作用。脈沖電子束在材料表層誘發(fā)動(dòng)態(tài)的熱循環(huán)和伴隨的應(yīng)力場(chǎng)，由此產(chǎn)生的形變具有各向異性的特征。例如在316L不銹鋼中，形變孿晶總是產(chǎn)生在<111>方向與法向接近的晶粒中。而在FeAl中，各向異性形變使得<100>方向與法向接近的晶粒表面低于其他晶粒。 2．織構(gòu)轉(zhuǎn)變和晶粒細(xì)化。原始熱擠壓的FeM具有較強(qiáng)的<110>纖維織構(gòu)，經(jīng)過(guò)脈沖電子束處理后轉(zhuǎn)變?yōu)檩^弱而分散的<321>纖維織構(gòu)

8、。伴隨織構(gòu)的轉(zhuǎn)變，我們還發(fā)現(xiàn)表層晶粒得到了細(xì)化。這兩種效應(yīng)都是由轟擊過(guò)程中反復(fù)的形變和回復(fù)再結(jié)晶所造成的。 3．表面凈化。在未熔處理模式下，電子束同樣可以凈化顆粒強(qiáng)化材料的表層。例如在氧化物彌散強(qiáng)化的Fe(40m％)Al合金中，強(qiáng)流脈沖電子束處理可以在不熔化基體也不產(chǎn)生火山坑的基礎(chǔ)上除去表層Y<,2>O<,3>顆粒。 三.本文明確的指出了脈沖電子束在汽化模式下對(duì)材料表層的改性效果。在汽化處理模式下的主要結(jié)果如下：

9、 1．表面形貌轉(zhuǎn)變。在汽化處理模式下，材料表面除了生成火山坑之外還會(huì)形成一種特殊的波紋狀形貌。這種波紋形貌是由以下原因造成的：1)熔化和隨后局部汽化不均勻;2)表層液相在汽化過(guò)程中的變形。 2．選擇蒸發(fā)效應(yīng)。脈沖電子束在汽化處理模式下對(duì)合金表層產(chǎn)生選擇性蒸發(fā)效應(yīng)，這是由于不同元素的蒸發(fā)速率不同的緣故。 3．蒸發(fā)和重新沉積。在同一材料上的多次轟擊可導(dǎo)致蒸發(fā)效果更強(qiáng)烈，一部分蒸汽將重新沉積到處理材料的表面上。在波紋狀表面的小

10、突起和圓形顆粒以及成分隨深度的特殊分布可以證明蒸發(fā)和重新沉積的機(jī)制。 4．特殊織構(gòu)轉(zhuǎn)變。在強(qiáng)流脈沖電子束汽化處理下NiTi表層由蒸發(fā)和重新沉積而生成了強(qiáng)的<110>纖維織構(gòu)。與熔化模式下的形成的織構(gòu)相比，沉積的晶粒大多是分立的，而聚集的晶粒間也沒(méi)有孿晶關(guān)系。 最后，本文探討了在不同處理模式下強(qiáng)流脈沖電子束可能的應(yīng)用。研究結(jié)果表明，在各種處理模式下，強(qiáng)流脈沖電子束技術(shù)均可有效的對(duì)金屬及金屬間化合物材料進(jìn)行表面改性從而優(yōu)化材

11、料的性能。轟擊在材料表層誘發(fā)非?？焖俚膭?dòng)態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，引起超快速加熱、形變、熔化及可能的蒸發(fā)，而之后則伴隨著表層的快速凝固和冷卻，這些過(guò)程可以迅速有效的改變材料表面性能。例如，表面超細(xì)結(jié)構(gòu)及亞穩(wěn)態(tài)組織的生成和熱應(yīng)力誘發(fā)的應(yīng)變強(qiáng)化可以提高材料的硬度和耐磨性能。表面選擇凈化和選擇蒸發(fā)效應(yīng)可以用來(lái)提高材料的耐蝕性。強(qiáng)流脈沖電子束還可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)表面的快速合金化以及增強(qiáng)擴(kuò)散等?？偠灾?，為了更好的發(fā)揮強(qiáng)流脈沖電子束在材料表面改性方面的應(yīng)用潛力