強(qiáng)流脈沖離子束(High-Intensity Pulsed Ion Beam—HIPIB)技術(shù)起源于20世紀(jì)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(lái)，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(jí)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(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，本文系統(tǒng)研究了不同參數(shù)的HIPIB輻照對(duì)316L不銹鋼表面結(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(jìn)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(yáng)極的單極脈沖模式外磁絕緣離子二極管產(chǎn)生由70％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(dòng)不超過(guò)20％)，脈沖寬度為75 ns的強(qiáng)流脈沖離子束，分別輻照316L不銹鋼1、5、10次。采用掃描電子顯微鏡(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(duì)輻照前、后樣品，分別進(jìn)行顯微硬度測(cè)量，摩擦磨損、氧化、電化學(xué)腐蝕、抗疲勞及高溫蠕變實(shí)驗(yàn)。結(jié)合表面結(jié)構(gòu)的變化，研究不同輻照參數(shù)對(duì)上述各種性能的影響規(guī)律，探討其改性機(jī)理，并確定了針對(duì)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輻照后隨輻照強(qiáng)度的增大或輻照次數(shù)的增加均呈現(xiàn)出光滑化趨勢(shì)。燒蝕坑面積對(duì)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(duì)試樣最外表面溫度進(jìn)行了估算，發(fā)現(xiàn)HIPIB處理會(huì)將316L表面快速加熱至其熔點(diǎn)甚至沸點(diǎn)溫度，導(dǎo)致原始表面機(jī)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(wú)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(shì)隨束流密度的增大或輻照次數(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(cuò)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(jī)制，316L表面層中包含強(qiáng)揮發(fā)性S元素的MnS夾雜在輻照瞬間發(fā)生了低熔點(diǎn)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(cè)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(cuò)胞和孿晶等亞結(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(qiáng)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。試樣表面耐磨性與硬度值保持了很好的對(duì)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(qiáng)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_2O_3保護(hù)膜，冷卻過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)剝落跡象；低束流密度和輻照次數(shù)少的試樣表面生成了瘤節(jié)狀Fe_2O_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_2O_3和Cr_2O_3交替構(gòu)成的氧化層，剝落現(xiàn)象嚴(yán)重。在表面光滑化、表面層非晶化和晶粒細(xì)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_2SO_4溶液中的電化學(xué)腐蝕性能，且輻照強(qiáng)度變化對(duì)自腐蝕電位的影響更加顯著，而自腐蝕電流密度則對(duì)輻照次數(shù)變化更加敏感。 疲勞和蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果均說(shuō)明，中、低強(qiáng)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(xì)化以及大量位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的形成，起到了阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、抑制表面裂紋產(chǎn)生和阻止裂紋擴(kuò)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(cè)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(méi)有出現(xiàn)在輻照強(qiáng)度最強(qiáng)的樣品上，這不僅源于過(guò)高的輻照強(qiáng)度會(huì)引起試樣表面劇烈的沸騰和蒸發(fā)，使改性層所剩無(wú)幾，同時(shí)還在于高束流密度條件下樣品表面大多數(shù)燒蝕坑中心會(huì)形成微裂紋，作為裂紋源將直接導(dǎo)致材料室溫抗疲勞性能和高溫蠕變性能的下降。在相同束流密度條件下(200A／cm~2)，輻照后試樣的疲勞、蠕變斷裂壽命和穩(wěn)態(tài)蠕變速率均隨輻照次數(shù)的增加呈現(xiàn)拋物線式的變化規(guī)律。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2007
【中圖分類(lèi)】：TG142.15
【部分圖文】：

大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文器作在美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，該設(shè)備所)，在陽(yáng)極粘上合成樹(shù)脂，依靠在樹(shù)脂上的電金屬錐體之間的350kV的電壓來(lái)加速，引出束圍繞在陰極錐周?chē)拿}沖電磁場(chǎng)所抑制，電子直的磁場(chǎng)交叉場(chǎng)(ExB)的作用而受到約束，到35okev。束斑大于loocmZ，脈沖寬度為40

圖1.12cHAMP加速器外磁絕緣離子二極管(a)結(jié)構(gòu)示意圖;偽)電路噴嘴;2一高壓;3一氣動(dòng)閥;4一磁流面;5一陰極錐面;6一分離線圈;電壓;9一四個(gè)平行網(wǎng)之一;10一充氣閥激勵(lì)線圈:n一二極管;12一全:14一快速觸發(fā);15一氣體觸發(fā);16一雙向脈沖變壓器;17一調(diào)制能量恢18一110VAC功率輸出;19一等離子體誘導(dǎo)線圈Fig.1.12Extemal一magnetiefieldMID叩pliedinCHAMPaCCelerator(a)thesehematiedravnng;(b)theeleetriealsystemdesign一GaSnozzle;2一Highvoltage;3一P哎valve;4一Magnetiefluxsurf’aees;5一Cathode6一Insulatingfieldeoils;7一Brake一owtube;8一Veh雌e;9一Oneof4Parallelnetwctioneoil&Puffvalvemodul川泊rs;11一Diode;12一All“0K’’;13一Hotdeek;14一F15一Gastng;16一B近larPulsetransformer;17一Magneteoilmodulatorenergyree18一110VACPowerinput;19一Plasmainductioneoil

圖1.13ETIGO一11型HIPIB裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig，1.13ThesehematlcdrawingofETIGO一11HIPIBaPParatus圖1.14給出了ETIGO一n型HIPIB裝置外磁絕緣離子二極管結(jié)構(gòu)圖。陽(yáng)極基體為金屬鋁，陰極為不銹鋼材料，陽(yáng)極工作區(qū)采用曲率半徑為巧cm的凹球面結(jié)構(gòu)以達(dá)到離子束幾何聚焦目的。陽(yáng)極聚合物同樣采用低密度聚乙烯膜并包覆于陽(yáng)極表面，聚乙烯膜表面隨機(jī)分布幾個(gè)通孔或者無(wú)通孔。當(dāng)高壓脈沖傳輸?shù)蕉䴓O管時(shí)，導(dǎo)致聚合物陽(yáng)極表面擊穿(閃絡(luò))而形成陽(yáng)極等離子體，離子在二極管間隙中被加速，從陰極柵格中引出。ETIGO一H型HIPIB裝置典型的工作參數(shù)為:離子能量1Mev，束流密度一1500刀cmZ，脈沖寬度(FWID涯)60ns，能量密度一120J/cmZ，束斑尺寸一100cm，，離子束成分為25%c離子和75%H離子。
【引證文獻(xiàn)】

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1 譚俊;杜軍;;離子束表面工程技術(shù)的進(jìn)展[J];中國(guó)表面工程;2012年05期

本文編號(hào)：2893569