【摘要】：強(qiáng)流脈沖電子束(High current pulsed electron beam,HCPEB)技術(shù)已快速發(fā)展成材料表面改性有效方法。輻照過程中高能入射電子束瞬時穿透材料表面(幾個微米),引發(fā)快速加熱、冷卻(109K/s)與凝固過程,熱應(yīng)力效應(yīng)隨之發(fā)生;改性表面生成非平衡組織結(jié)構(gòu)。本文在HOPE-Ⅰ型火花源HCPEB基礎(chǔ)上,利用潘寧放電原理對HCPEB束源進(jìn)行改進(jìn);并利用HOPE-Ⅰ型HCPEB設(shè)備進(jìn)行表面改性。以40CrNiMo7低合金高強(qiáng)鋼、2Cr13馬氏體不銹鋼和FV520B沉淀硬化馬氏體不銹鋼為研究對象,通過掃描、透射電鏡、X射線衍射、背散射電子衍射和電子探針等測試方法研究改性表面顯微組織結(jié)構(gòu)的演變機(jī)制;發(fā)現(xiàn)改性表面性能的變化規(guī)律,探索改善其表面物理化學(xué)性能的有效途徑。利用潘寧放電可形成大口徑,高密度的等離子體長距離通道的優(yōu)勢,設(shè)計獲得新型強(qiáng)流脈沖電子束源。實驗結(jié)果表明,潘寧放電經(jīng)歷兩個主要過程:高電壓小電流階段和大電流放電階段。選定最優(yōu)參數(shù)工作氣壓7.0×10-2 Pa,陽極電壓5 kV和磁場強(qiáng)度2000 Gauss,鎮(zhèn)流電阻阻值為200 Ω,此條件下可形成直徑為80 mm,等離子體密度為1012-1013/cm3,170 mm長的穩(wěn)定等離子體通道。利用HOPE-Ⅰ型HCPEB設(shè)備對正火態(tài)和調(diào)質(zhì)態(tài)40CrNiMo7鋼分別進(jìn)行表面改性,改性表層均形成復(fù)合納米組織結(jié)構(gòu)(大量奧氏體相和少量馬氏體相),發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變及滲碳體的溶解和破碎。初次輻照中,極快速冷卻促成改性表面形成納米晶;連續(xù)脈沖處理后,改性表層冷卻速率逐漸降低,碳元素溶解不斷加強(qiáng)并最終實現(xiàn)表面成分均勻化。這兩個競爭因素同時作用導(dǎo)致改性表面組織納米尺寸演變規(guī)律。最終,正火態(tài)和調(diào)質(zhì)態(tài)鋼改性表面奧氏體納米平均尺寸分別由μm量級(幾十μm和十幾μm)降至～120 nm和～150 nm。正火態(tài)鋼由于珠光體和鐵素體導(dǎo)熱率不同,在最初脈沖處理后截面形成熔深差。隨著脈沖次數(shù)增加,熔深差逐漸減小;改性表面最佳顯微硬度(～1000 HK)為原始樣品表面顯微硬度的3倍。調(diào)質(zhì)態(tài)鋼改性表面最佳顯微硬度較原始樣品表面顯微硬度增加了 1倍(～553 HV),改性表層磨損率下降至原始表層磨損率的～33.8%;改性表面腐蝕速率由0.12mm/a降低到0.02mm/a,耐蝕性顯著提高。此外,2Cr13鋼改性表面有奧氏體新相生成,而FV520B鋼改性表面相結(jié)構(gòu)并未改變,只在重熔層內(nèi)產(chǎn)生了新的200晶向擇優(yōu)取向。FV520B鋼中極低碳含量0.03(wt.%)使得快速凝固中形成的奧氏體在快速冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,以至于不能完全實現(xiàn)奧氏體相穩(wěn)定化;改性表層組織晶粒細(xì)化、致密平整和表層擇優(yōu)取向的產(chǎn)生對材料表面耐磨性和耐蝕性的改善有極大貢獻(xiàn)。
【圖文】：

潘寧型ＨＣＰＥＢ束源及風(fēng)機(jī)用鋼表面改性研宄＿５１］。強(qiáng)流脈沖電子束表面改性技術(shù)的典型特征如下：逡逑１）表面選擇凈化逡逑ＣＰＥＢ轟擊材料表面，通常會在改性表面形成典型的“火山坑”狀的熔坑為，熔坑的形成與材料成分的不均勻，以及表層的第二相、缺陷（晶界和相的物理性能差異（熔點和導(dǎo)熱性等）密切相關(guān)［５Ｍ４］。電子束轟擊材料表最大能量沉積出現(xiàn)在電子束射程的１／３處區(qū)域，使得材料亞表層局部非均化，成為熔坑噴發(fā)的核心位置。研宄同時表明隨著脈沖次數(shù)的增加，表面漸減小。多次脈沖處理后可使材料表層均勻化，實現(xiàn)改性表面的選擇凈化ＫＤ１１模具鋼強(qiáng)流脈沖電子束表面改性的研宄中發(fā)現(xiàn)，，熔化模式下ＳＫＤ１１化物極易形成熔坑噴發(fā)核心，改性表面形成典型熔坑形貌［５５］，如圖１．１ＦｅＡｌ合金和ＮｉＴｉ合金強(qiáng)流脈沖電子束改性研宄中，發(fā)現(xiàn)兩種合金在未焰式下，改性表面均產(chǎn)生了選擇性熔化現(xiàn)象［２８］，并得到選擇凈化的效果［５６］。逡逑

１．２邋ＡＺ９１鑄造鎂合金經(jīng)強(qiáng)流脈沖電子束處理后表面ＴＥＭ形貌，２７邋ｋＶ脈沖轟擊（ａ）為表面明場像，其中插圖為衍射圖譜，（ｂ）為衍射標(biāo)亞穩(wěn)相Ｍｇ３．ｉＡｌ0．９的暗場像，（ｄ）為ＭｇｎＡｌｕ的暗場像［６４］逡逑Ｆｉｇ．邋１．邋２邋ＴＥＭ邋ｂｒｉｇｈｔ邋ｆｉｅｌｄ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ｓａｍｐｌｅ邋ｗｉｔｈ邋１５邋ｐｕｌｓｅｓ邋ＨＣＰＥＢ邋ｔｒｅａｔｍｅｉｎｄｉｃａｔｅｓ邋ＳＡＤ邋ｐａｔｔｅｒｎ，邋（ｂ）邋ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓ邋ｔｈｅ邋ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ邋ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ，邋（ｃ）邋ａｎｄ邋（ｄ）邋ｉｌｄａｒｋ邋ｆｉｅｌｄ邋ｏｆ邋ｎａｎｏ－ｇｒａｉｎｅｄ邋Ｍｇ３．ｉＡｌｏ，９邋ａｎｄ邋Ｍｇｉ７Ａｌｉ２邋ｐｈａｓｅ邋ｉｍａｇｅ，邋ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｗｅｒｅ邋ｔａｋｅｎ邋ｆｒｏｍ邋ｔｈｅ邋ｓｐｏｔｅｓ邋ａｓ邋ｄｅｎｏｔｅｄ邋ｂｙ邋ｔｈｅ邋ａｒｒｏｗｓ［６４］逡逑（３）深層改性逡逑強(qiáng)流脈沖電子束輻照過程中，材料表層形成動態(tài)變化的溫度場，極快的自冷卻作用使得改性表層形成極大的溫度梯度，高溫誘發(fā)的熱應(yīng)力場也的共同作用可以改變材料表層晶粒的織構(gòu)特征，達(dá)到深層改性的效果。－７－逡逑
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O539;TG174.4

【參考文獻(xiàn)】

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1 王秋鳳;王鴻靈;王云霞;閻逢元;;表面粗糙度對UHMWPE微動摩擦磨損性能的影響[J];摩擦學(xué)學(xué)報;2015年04期

2 王慧慧;郝勝智;賀冬云;徐洋;張向東;;強(qiáng)流脈沖電子束表面處理對金屬材料表層顯微硬度的影響[J];核技術(shù);2011年01期

3 趙暉;徐玲;陳立佳;劉正;;高能電子束處理對AZ91鎂合金耐磨性影響[J];稀有金屬材料與工程;2009年11期

4 郝勝智;李e

本文編號：2711574