强流脉冲电子束钛基和镍基合金表面改性

论文摘要

强流脉冲电子束材料处理是近十几年来发展起来的一种表面改性技术。强流脉冲电子束能在较短的时间内将大量的能量沉积在样品表层,在样品表层引起快速的加热,熔化甚至汽化等过程,快速加热引起的动态应力场可以在材料内部数百微米深度引发强烈改性,材料摩擦磨损和耐蚀性能获得显著提高。钛及钛合金因为比强度高,耐蚀性能好和良好的生物相容性,广泛应用于航空航天、汽车制造、生物医药等行业。但钛及钛合金面临表面硬度不高,耐磨性差,并且在某些介质中耐蚀性能较差等与表面性能相关的问题,制约了其更广泛的应用。因此有必要对其进行表面改性,以提高其整体性能。另外,钛及钛合金凝固时会发生同素异构转变,并且根据其β相稳定元素含量可能发生亚稳相变生成亚稳α’和α’’马氏体相,因此强流脉冲电子束钛及钛合金表面改性不但可以加深对强流脉冲电子束改性机理（如固态相变方面等）的认识,也可以探索强流脉冲电子钛合金表面改性潜在的工业应用意义。镍基单晶合金结构简单,不存在大角晶界,选择镍基单晶材料进行强流脉冲电子束处理,有助于加深对强流强流脉冲电子束表面和深层改性与初始晶体取向之间关系的认识,从而对推动对强流脉冲电子束改性机理的认知有重要意义。基于上述目的,采用强流脉冲电子束对钛合金（商业纯钛,TA15近α钛合金和亚稳β钛合金β-Cez）和不同取向的几种镍基单晶高温合金（AM1（100）,AM1（111）和CMSX-2（100））进行了表面改性处理,对处理后试样的微观组织结构及性能进行了分析,主要结论如下：（1）揭示了近α钛合金TA15的强流脉冲电子束处理后的表层组织转变机理,发现最终表面组织为均匀单相六方α’马氏体。原始近α钛合金TA15组织含有α相和少量β相,经过强流脉冲电子束处理后样品表面熔化并伴有元素蒸发,冷却过程中发生了如下相变：α+βresidual→β→L→β→α’。而对于未发生熔化的热影响区来说,相变顺序为α+βresidual→β+βresidual→α’+βresidual。由于表面形成均匀单相α’马氏体组织,样品在5 wt% NaCl水溶液中腐蚀速率降低和腐蚀电阻升高。（2）β单相和α+β双相β-Cez钛合金表面最终均生成了由应力诱发的正交α’’马氏体组织。利用应力诱发马氏体相变的触发应力与温度的关系对强流脉冲电子束处理产生的应力的级别进行了估算,结果显示强流脉冲电子束处理产生的应力在GPa量级。（3）纯钛样品表面亦生成单相细晶α’马氏体,表面硬度升高,磨损性能提高,并由于去除表面夹杂,样品在5 wt％NaCl水溶液耐蚀性能显著改善。4)发现了镍基单晶合金的表面熔层的单晶外延凝固现象。由于强流脉冲电子束处理引起的应力作用,样品表面出现了许多滑移线。截面透射电镜分析和电子背散射衍射标定分析结果显示,熔化层与未熔基体晶体取向差呈线性连续增长,但是AM1（111）的斜率是AM1（100）的2倍。这是由于立方晶体择优生长方向为<100>,沿<111>则会引入较多的晶体缺陷。两种取向的样品截面硬度显现出明显差异。对AM1（100）样品来说,次表层出现了一个硬化区,这是由于处理产生的大量位错强化所致：而对AM1（111）样品来说,次表层出现了一个软化区,这是由于处理使析出相粗大所致。5)总结出了镍基单晶合金表面熔坑的形成及演化规律,发现CMSX-2镍基单晶合金表面熔坑密度随轰击次数的增加而降低,且CMSX-2单晶合金熔坑密度比普通多晶金属的熔坑密度低一到两个数量级。根据熔坑的形态提出了熔坑形成过程的不同阶段：首先在材料亚表层生成熔化液滴,然后液滴向表层膨胀、溢出乃至喷发,形成中心有孔的熔坑。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 强流脉冲电子束表面改性技术
• 1.1.1 电子束表面改性技术的发展
• 1.1.2 强流脉冲电子束处理的典型特征
• 1.2 本文的研究目的及研究材料的选择
• 1.2.1 钛及钛合金
• 1.2.2 镍基单晶高温合金概述
• 2 实验设备及分析技术
• 2.1 强流脉冲电子束装置
• 2.2 工作原理
• 2.2.1 强流脉冲电子束的技术原理
• 2.2.2 基于真空火花等离子体的电子枪
• 2.2.3 装置的工作过程
• 2.3 工艺参数及测试
• 2.3.1 工艺参数
• 2.3.2 实验测试
• 2.4 表征技术
• 2.4.1 EBSD
• 2.4.2 SNMS
• 2.5 本章小结
• 3 强流脉冲电子束钛基材料表面改性
• 3.1 TA15强流脉冲电子束表面改性
• 3.1.1 实验方法
• 3.1.2 TA15原始组织
• 3.1.3 结果与讨论
• 3.2 亚稳β钛合金β-Cez强流脉冲电子束处理
• 3.2.1 亚稳β钛合金β-Cez中应力诱发马氏体相变
• 3.2.2 实验结果
• 3.2.3 讨论
• 3.3 强流脉冲电子束纯钛表面改性
• 3.3.1 实验方法
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 4 镍基单晶AM1的强流脉冲电子束表层组织与深层改性
• 4.1 不同初始取向的镍基单晶合金表面组织改性
• 4.1.1 前言
• 4.1.2 AM1原始组织
• 4.1.3 实验结果
• 4.1.4 讨论
• 4.2 不同基体取向的深层改性效果
• 4.3 本章小结
• 5 镍基单晶高温合金的熔坑特征
• 5.1 CMSX-2原始材料
• 5.2 实验结果
• 5.3 讨论
• 5.3.1 熔坑密度
• 5.3.2 熔坑演化
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢