强流脉冲离子束辐照材料表面烧蚀作用研究

论文摘要

利用TEMP-6型和ETIGO-Ⅱ型强流脉冲离子束（High-Intensity Pulsed Ion Beam-HIPIB）装置分别产生加速电压为300kV，脉冲宽度为70-80ns，束流密度为60-500 A／cm2，能量密度为1-12J／cm2和1MV，50-60 ns，1500 A／cm2，～90 J／cm2的HIPIB，通过金属材料、石墨及氧化物涂层烧蚀特性的实验研究，揭示了烧蚀表面形貌和相结构的变化规律，结合表面烧蚀过程的理论计算，进一步探明了HIPIB与材料相互作用机理。依据HIPIB辐照的表面烧蚀作用，拓展HIPIB在材料表面改性方面的应用。 采用100-200 A／cm2，1-5次和1500 A／cm2，1-3次的HIPIB辐照金属Ti的实验研究发现，表面微观几何不均匀性，如微凸、镶嵌碎屑等的选择烧蚀而产生液滴喷射，造成了100 A／cm2条件下表面形貌以烧蚀坑为主：辐照强度增加到200 A／cm2时，表面呈现以波浪状起伏为主的烧蚀形貌：进一步增加辐照强度至1500 A／cm2，束斑中心区域因均匀烧蚀而较平坦，而在周围区域形成烧蚀坑与波浪起伏混合的形貌特征。200A／m2条件下，随着辐照次数从1次增加到5次，表面逐渐趋于光滑、平整。金属Ti辐照表面的相结构均为单一α-Ti相。采用60-200 A／cm2，1-50次和50-90 J／cm2，1次的HIPIB分别辐照金属间化合物γ-TiAl，合金中低熔点元素和晶界造成了局部区域的择优加热、熔化和蒸发等不均匀热效应，除导致合金表面形成烧蚀坑和波浪状起伏等表面烧蚀特征外，还出现严重的沿晶界开裂现象。低熔点Al元素的择优烧蚀，导致γ-TiAl烧蚀表层依次形成了Ti3Al和Ti2Al相。采用300-500 A／cm2，1-5次的HIPIB辐照GH33高温合金，烧蚀表面形貌的变化规律与金属Ti相似，但烧蚀坑尺寸较大，且边缘较模糊；烧蚀表面仍为单一γ相。合金元素的选择烧蚀虽对表层相结构无明显影响，但影响了烧蚀表面形貌的形成过程。基于焓法建立了HIPIB辐照材料相变传热的二维轴对称模型，计算了能量密度为0.1-120 J／cm2条件下金属Ti的表面烧蚀过程。计算结果表明，金属Ti熔融和烧蚀的临界能量密度分别为0.2和0.7 J／cm2。在70 J／cm2条件下，模拟计算1-10次辐照的烧蚀质量与实验测量值基本相符。 采用200-350A／cm2，1-5次和1500A／cm2，1次的HIPIB辐照石墨实验研究，Raman光谱分析表明，350A／cm2，2次以上辐照的表面在波数为1100至1700 cm1-范围内出现了一个非对称的宽化峰，石墨表面发生显著的相结构变化，形成了类金刚石（Diamond-like Carbon-DLC）。表面形貌观察表明，200 A／cm2条件下，表面局部区域

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 强流脉冲离子束技术原理
• 1.1.1 强流脉冲离子束
• 1.1.2 强流脉冲离子束装置及其工作特性
• 1.2 强流脉冲离子束与材料相互作用
• 1.2.1 离子在物质中的能量沉积
• 1.2.2 强流脉冲离子束辐照材料的热-力学效应
• 1.3 强流脉冲离子束在材料表面工程中应用
• 1.3.1 强流脉冲离子束烧蚀等离子体工艺
• 1.3.2 强流脉冲离子束材料表面辐照处理
• 1.4 本论文研究目的及研究内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 强流脉冲离子束辐照金属的烧蚀行为
• 2.1 实验材料与方法
• 2.2 强流脉冲离子束辐照金属的烧蚀表面形貌
• 2.2.1 金属 Ti
• 2.2.2 金属间化合物γ-TiAl
• 2.2.3 Ni基高温合金
• 2.3 强流脉冲离子束辐照金属表面的相结构
• 2.4 强流脉冲离子束辐照金属相变传热模型
• 2.4.1 传热数学模型
• 2.4.2 数值计算方法
• 2.5 强流脉冲离子束辐照金属表面烧蚀过程计算
• 2.5.1 计算参数选取
• 2.5.2 计算结果与讨论
• 2.6 讨论
• 2.6.1 强流脉冲离子束烧蚀对金属表面形貌的影响
• 2.6.2 强流脉冲离子束烧蚀对金属表面相结构的影响
• 2.6.3 强流脉冲离子束辐照金属表面烧蚀行为
• 2.7 本章小结
• 第三章 强流脉冲离子束辐照石墨的烧蚀相变特性
• 3.1 实验材料与方法
• 3.2 强流脉冲离子束辐照石墨的烧蚀表面形貌
• 3.3 强流脉冲离子束辐照石墨的表面相结构
• 3.4 强流脉冲离子束辐照石墨表面烧蚀过程计算
• 3.5 讨论
• 3.5.1 强流脉冲离子束辐照对石墨烧蚀表面形貌的影响
• 3.5.2 强流脉冲离子束辐照参数对类金刚石形成的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 强流脉冲离子束辐照涂层的烧蚀改性作用
• 4.1 实验材料与方法
• 4.2 强流脉冲离子束辐照涂层的烧蚀表面形貌
• 2O₃涂层'>4.2.1 等离子体喷涂 Cr₂O₃涂层
• 4.2.2 等离子体喷涂热障涂层
• 4.2.3 电子束物理气相沉积热障涂层
• 2O₃涂层表面特性表征'>4.3 强流脉冲离子束辐照 Cr₂O₃涂层表面特性表征
• 4.3.1 相结构
• 4.3.2 表面显微硬度
• 4.3.3 划痕测试分析
• 4.3.4 超声检测分析
• 4.4 强流脉冲离子束辐照热障涂层的烧蚀改性作用
• 4.4.1 相结构
• 4.4.2 循环氧化性能
• 4.5 讨论
• 4.5.1 强流脉冲离子束辐照对涂层烧蚀表面形貌的影响
• 4.5.2 辐照涂层表面熔融层特性及其对性能的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士期间发表的论文
• 致谢
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