強(qiáng)流脈沖離子束輻照鈦合金表面改性的機(jī)理研究.pdf

1、強(qiáng)流脈沖離子束(HIPIB)與材料交互作用的基礎(chǔ)研究具有重要的科學(xué)意義，同時(shí)強(qiáng)流脈沖離子束在表面工程領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。本論文對(duì)HIPIB輻照材料的能量沉積規(guī)律及熱學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了模擬，對(duì)HIPIB輻照鈦合金的熱力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了HIPIB表面改性的機(jī)理及控制規(guī)律，為HIPIB的工程應(yīng)用提供了依據(jù)。
　　 采用SRIM程序模擬了C+、H+離子注入TC4（Ti6Al4V）過(guò)程中能量沉積的規(guī)律。運(yùn)用有限元工程模擬軟件AB

2、AQUS，其能量加載數(shù)據(jù)代入的是SRIM程序得出能量沉積結(jié)果，加載方式為體加載，模擬了HIPIB輻照Ti6Al4V鈦合金的熱效應(yīng)。模擬結(jié)果表明：輻照離子能量相同時(shí)，H+離子的射程大于C+離子；離子的注入過(guò)程中能量損失主要用于激發(fā)電子（離子化），其中H+的能量97％以上是用于激發(fā)電子，C+的能量在50％以上；離子化和核碰撞都會(huì)產(chǎn)生熱量，核碰撞引起的遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于離子化引起的；80ns脈沖時(shí)間內(nèi)，Ti6Al4V靶材表面的升溫速率可達(dá)1010℃/s

3、，280nm厚度內(nèi)同時(shí)達(dá)到熔化或汽化溫度。
　　 利用TIA-450型HIPIB設(shè)備對(duì)三種鈦合金（TA1、TB3和TC4）進(jìn)行了表面輻照實(shí)驗(yàn)，典型實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：束流組成70％C++30％H+，脈沖寬度80ns，二極管加速電壓220kV， 束流密度170-200A/cm2。通過(guò)對(duì)輻照次數(shù)分別為5、10、15、20的系列實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了隨脈沖次數(shù)增加，靶材表面形貌及組織結(jié)構(gòu)的演變過(guò)程及規(guī)律。
　　 采用顯微硬度儀、X射線衍射

4、儀(XRD)和透射電鏡(TEM)等方法對(duì)靶材表面形貌、相結(jié)構(gòu)、顯微硬度及微觀組織進(jìn)行了檢測(cè)，研究結(jié)果表明：HIPIB輻照能消除靶材表面劃痕，在表面形成了熔坑；隨著輻照次數(shù)的增加表面熔坑的密度減小、尺寸增大。三種鈦合金HIPIB輻照后都沒(méi)有新相產(chǎn)生；但均出現(xiàn)了不同程度的擇優(yōu)取向、晶粒細(xì)化和內(nèi)應(yīng)力的變化。其主要原因是HIPIB輻照后材料的快速凝固和應(yīng)力波的共同作用。隨著輻照次數(shù)的增加，HIPIB輻照三種鈦合金表面顯微硬度均呈升高-降低-升高