强流脉冲离子束辐照钛合金表面改性的机理研究

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强流脉冲离子束(HIPIB)与材料交互作用的基础研究具有重要的科学意义，同时强流脉冲离子束在表面工程领域有着广阔的应用前景。本论文对HIPIB辐照材料的能量沉积规律及热学效应进行了模拟，对HIPIB辐照钛合金的热力学效应进行了实验研究，获得了HIPIB表面改性的机理及控制规律，为HIPIB的工程应用提供了依据。
　　采用SRIM程序模拟了C+、H+离子注入TC4（Ti6Al4V）过程中能量沉积的规律。运用有限元工程模拟软件ABAQUS，其能量加载数据代入的是SRIM程序得出能量沉积结果，加载方式为体加载，模拟了HIPIB辐照Ti6Al4V钛合金的热效应。模拟结果表明：辐照离子能量相同时，H+离子的射程大于C+离子；离子的注入过程中能量损失主要用于激发电子（离子化），其中H+的能量97％以上是用于激发电子，C+的能量在50％以上；离子化和核碰撞都会产生热量，核碰撞引起的远远高于离子化引起的；80ns脉冲时间内，Ti6Al4V靶材表面的升温速率可达1010℃/s，280nm厚度内同时达到熔化或汽化温度。
　　利用TIA-450型HIPIB设备对三种钛合金（TA1、TB3和TC4）进行了表面辐照实验，典型实验参数为：束流组成70％C++30％H+，脉冲宽度80ns，二极管加速电压220kV，束流密度170-200A/cm2。通过对辐照次数分别为5、10、15、20的系列实验，系统地研究了随脉冲次数增加，靶材表面形貌及组织结构的演变过程及规律。
　　采用显微硬度仪、X射线衍射仪(XRD)和透射电镜(TEM)等方法对靶材表面形貌、相结构、显微硬度及微观组织进行了检测，研究结果表明：HIPIB辐照能消除靶材表面划痕，在表面形成了熔坑；随着辐照次数的增加表面熔坑的密度减小、尺寸增大。三种钛合金HIPIB辐照后都没有新相产生；但均出现了不同程度的择优取向、晶粒细化和内应力的变化。其主要原因是HIPIB辐照后材料的快速凝固和应力波的共同作用。随着辐照次数的增加，HIPIB辐照三种钛合金表面显微硬度均呈升高-降低-升高趋势。前期硬度升高是由于消除划痕的过程中表面的塑性形变引起的塑性硬化的结果；后续的辐照对先前的塑性形变起到回复的作用，引起硬度降低；之后的升高是快速凝固引起的晶粒细化和应力波引起的宏观应力作用使硬度提高。
　　 HIPIB辐照的快速凝固效应使钛合金表面部分区域形成了纳米晶和非晶，非晶、位错密度增加和马氏体α'在β中的析出是辐照引起的硬度增加主要原因之一。

著录项

作者
张凤;
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作者单位

沈阳理工大学;

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授予单位沈阳理工大学;
学科物理电子学
授予学位硕士
导师姓名李凤岐;
年度 2011
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类金属表面精整;
关键词
强流脉冲离子束; 表面改性机理; 钛合金; 热学效应;

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