強流脈沖離子束輻照316L不銹鋼結(jié)構(gòu)及性能研究.pdf

1、強流脈沖離子束(High-Intensity Pulsed Ion Beam-HIPIB) 技術(shù)起源于20世紀70年代末期的慣性約束核聚變和高能密度物理研究。近年來，它作為一種新型的材料載能束表面改性技術(shù)，受到了廣大材料科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。鑒于HIPIB技術(shù)在材料表面工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究尚處于初級階段，并且金屬材料表面輻照改性是目前HIPIB技術(shù)在材料表面工程應(yīng)用研究中的一個熱點問題，本文系統(tǒng)研究了不同參數(shù)的HIPIB輻照對316L 不

2、銹鋼表面結(jié)構(gòu)、表面性能及基體力學(xué)性能的影響，旨在揭示其變化的本質(zhì)原因，并探索合適的輻照參數(shù)，進而為其它材料的改性提供參考。 利用TEMP-6型HIPIB裝置，采用聚合物陽極的單極脈沖模式外磁絕緣離子二極管產(chǎn)生由709％的H離子和30％的C離子組成的加速電壓為300 kV，束流密度為100、200和300 A/cm<'2>(波動不超過20％)，脈沖寬度為75 ns的強流脈沖離子束，分別輻照316L不銹鋼1、5、10次。采用掃描電子

3、顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)和電子探針(EPMA)觀察表面形貌、鑒定表面層相組成和微觀組織結(jié)構(gòu)及分析表面元素分布變化。對輻照前、后樣品，分別進行顯微硬度測量，摩擦磨損、氧化、電化學(xué)腐蝕、抗疲勞及高溫蠕變實驗。結(jié)合表面結(jié)構(gòu)的變化，研究不同輻照參數(shù)對上述各種性能的影響規(guī)律，探討其改性機理，并確定了針對316L不銹鋼各性能的最佳輻照改性條件。 SEM觀察結(jié)果表明，316L不銹鋼表面經(jīng)HIPIB輻照

4、后隨輻照強度的增大或輻照次數(shù)的增加均呈現(xiàn)出光滑化趨勢。燒蝕坑面積對束流密度的變化敏感，其數(shù)量則受輻照次數(shù)變化的影響更加顯著。采用一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型對試樣最外表面溫度進行了估算，發(fā)現(xiàn)HIPIB處理會將 316L表面快速加熱至其熔點甚至沸點溫度，導(dǎo)致原始表面機械磨痕熔化、發(fā)生選擇燒蝕和液滴噴射。XRD結(jié)果顯示，輻照處理后316L表面無新相生成，但由于輻照引起的大溫度梯度和高應(yīng)力，導(dǎo)致試樣表面層形成了擇優(yōu)取向，且這種趨勢隨束流密度的增大或輻

5、照次數(shù)的增加越發(fā)顯著。TEM觀察發(fā)現(xiàn)，試樣表面熔化層形成了非晶結(jié)構(gòu)和納米馬氏體，在熱激波、壓縮應(yīng)力波和C離子注入的共同作用下，熔化層以下的熱影響區(qū)內(nèi)形成了大量位錯亞結(jié)構(gòu)和孿晶。根據(jù)EPMA分析結(jié)果提出了一種新的燒蝕坑形成機制，316L 表面層中包含強揮發(fā)性S元素的MnS夾雜在輻照瞬間發(fā)生了低熔點元素的選擇性燒蝕，形成以原始MnS夾雜為中心的燒蝕坑。 顯微硬度測量結(jié)果顯示，由于試樣表面形成了非晶和納米晶結(jié)構(gòu)，近表層產(chǎn)生了大量位錯胞

6、和孿晶等亞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致HIPIB輻照處理后的316L不銹鋼表面層顯微硬度有所提高，且沿截面都出現(xiàn)了微硬度雙峰的現(xiàn)象。相同次數(shù)(10次)輻照后，表面硬度及截面硬度最大值均出現(xiàn)在束流密度為200A/cm<'2>的樣品上；相同輻照強度下(200A/cm<'2>)，試樣表面顯微硬度和截面顯微硬度最大值均隨輻照次數(shù)的增加而逐漸增大。由于樣品表面的光滑化和顯微硬度的提高，不同參數(shù)的HIPIB輻照處理均使316L不銹鋼的表面摩擦系數(shù)降低，磨損量減少。試

7、樣表面耐磨性與硬度值保持了很好的對應(yīng)關(guān)系，其中，200A/cm<'2> 10 次輻照后試樣的表面耐磨性最好。 HIPIB中30％的C離子注入后，在氧化溫度下將占用樣品表層中大量的Cr去生成碳化物，從而導(dǎo)致 316L 表面貧鉻，優(yōu)先發(fā)生了鐵的氧化，抗高溫氧化性能隨輻照強度的增大或輻照次數(shù)的增加急劇下降。700℃氧化100h后，原始試樣氧化程度輕微，表面生成了致密的Cr<,2>O<,3>保護膜，冷卻過程中沒有出現(xiàn)剝落跡象；低束流密度和輻照次

8、數(shù)少的試樣表面生成了瘤節(jié)狀Fe<,2>O<,3>，剝落現(xiàn)象輕微；高束流密度和輻照次數(shù)多的樣品表面生成了由Fe<,2>O<,3>和Cr<,2>O<,3>交替構(gòu)成的氧化層，剝落現(xiàn)象嚴重。在表面光滑化、表面層非晶化和晶粒細化以及雜質(zhì)元素選擇性燒蝕的共同作用下，HIPIB 輻照處理顯著提高了316L 不銹鋼在 0.5mol/L的H<,2>SO<,4>溶液中的電化學(xué)腐蝕性能，且輻照強度變化對自腐蝕電位的影響更加顯著，而自腐蝕電流密度則對輻照次數(shù)變

9、化更加敏感。 疲勞和蠕變實驗結(jié)果均說明，中、低強度的HIPIB輻照處理后，316L不銹鋼試樣表面的光滑化、表面層的非晶化和晶粒細化以及大量位錯亞結(jié)構(gòu)的形成，起到了阻礙位錯運動、抑制表面裂紋產(chǎn)生和阻止裂紋擴展的作用，從而提高了其室溫疲勞壽命，改善了其高溫蠕變性能。與硬度測量結(jié)果一樣，輻照相同次數(shù)(10次)后疲勞和蠕變斷裂壽命的最大值也都沒有出現(xiàn)在輻照強度最強的樣品上，這不僅源于過高的輻照強度會引起試樣表面劇烈的沸騰和蒸發(fā)，使改性層