強(qiáng)流脈沖離子束特性優(yōu)化及輻照力學(xué)效應(yīng)研究.pdf

1、為了滿足HIPIB輻照材料表面改性需求，開(kāi)展了磁絕緣離子二極管陽(yáng)極特性的系統(tǒng)研究，確定了優(yōu)化的輻照工藝參數(shù)。通過(guò)HIPIB輻照不同材料的力學(xué)效應(yīng)研究，揭示了輻照表面反沖應(yīng)力波的形成和傳播機(jī)制，以及HIPIB輻照材料表面強(qiáng)化機(jī)制，為徹底弄清HIPIB與材料表面的相互作用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 通過(guò)對(duì)TEMP-6 型和ETIGO-2 型兩種HIPIB裝置陽(yáng)極聚乙烯膜的壽命研究發(fā)現(xiàn)，TEMP-6 型裝置的絕緣磁場(chǎng)為“閉環(huán)”結(jié)構(gòu)，二極管間隙放

2、電穩(wěn)定，在420 kV 放電電壓下陽(yáng)極聚乙烯膜可使用 500-700 次。ETIGO-2 型裝置的絕緣磁場(chǎng)為“開(kāi)環(huán)”結(jié)構(gòu)，二極管間隙放電不穩(wěn)定，在 1100 kV 放電電壓下陽(yáng)極聚乙烯膜僅可使用2-4次。外磁絕緣離子二極管陽(yáng)極等離子體的形成基于陽(yáng)極聚乙烯膜的表面脈沖擊穿放電過(guò)程，聚乙烯膜表面發(fā)生電子崩，并形成導(dǎo)電通道，載能電子和離子的多次轟擊導(dǎo)致聚乙烯膜表面粗糙化，聚乙烯分子鏈斷裂形成低分子量物質(zhì)，引起HIPIB束流密度降低，穩(wěn)定性變差

3、。通過(guò)改變陽(yáng)極聚合物材料種類，優(yōu)化二極管結(jié)構(gòu)及放電回路的阻抗匹配，聚合物陽(yáng)極的穩(wěn)定放電次數(shù)可提高到1000次以上。 采用束流密度 30-1500 A/cm<'2>，輻照次數(shù)1次的HIPIB輻照純金屬Ti和Al，被輻照表面的粗糙度R<,a>隨束流密度增加而增大，200A/cm<'2>輻照條件下，兩種金屬的R<,a>分別從原始的 0.181μm和 0.164 μm 增加到0.693 μm和0.372 μm。通過(guò)輻照和沉積實(shí)驗(yàn)證明了表

4、面微凸被優(yōu)先加熱而發(fā)生選擇性燒蝕，產(chǎn)生液滴噴射現(xiàn)象，導(dǎo)致形成具有燒蝕坑和波紋狀擾動(dòng)的燒蝕表面形貌。隨束流密度增加液滴噴射現(xiàn)象加劇，造成被輻照表面顯著的粗糙化。 采用 10 MHz 的壓電陶瓷—鋯鈦酸鉛(PZT)壓電晶體傳感器，對(duì)束流密度30-400A/cm<'2>的HIPIB 在純金屬Al，Ti，Cu，以及耐熱鋼基體上等離子體噴涂的ZrO<,2>熱障涂層(TBC)等材料中誘導(dǎo)的應(yīng)力波進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，隨束流密度從100 A/c

5、m<'2> 增加到400 A/cm<'2>，金屬Al中的應(yīng)力波強(qiáng)度從2 MPa增加到約80 MPa。350 A/cm<'2>、1-10 次輻照條件下，金屬 Al、Ti 和 TBC 中的應(yīng)力波強(qiáng)度分別為70-90 MPa、27-40 MPa和15-20MPa。應(yīng)力波的HIPIB誘導(dǎo)機(jī)制包括熱彈性機(jī)制和反沖機(jī)制，分別形成熱彈性波和反沖應(yīng)力波。形成的應(yīng)力波波形具有雙峰結(jié)構(gòu)，其中僅反沖應(yīng)力波的強(qiáng)度隨束流密度的增加顯著增大。相同輻照條件下，低熔點(diǎn)

6、材料因燒蝕劇烈而形成較強(qiáng)應(yīng)力波，高熔點(diǎn)材料則應(yīng)力波強(qiáng)度減弱，TBC的組織結(jié)構(gòu)和界面特性造成應(yīng)力波衰減和寬化。采用束流密度 100-350 A/cm<'2>，輻照次數(shù)1-10次的HIPIB輻照純金屬Cu，隨束流密度和輻照次數(shù)增加，被輻照表面的粗糙度 R<,a>先減小后增大，100 A/cm<'2>、1次輻照條件下 R<,a>從原始的0.12μm減小到0.09 μm，350 A/cm<'2>、10次輻照條件下達(dá)到最大，約0.51μm。被輻照

7、表面的顯微硬度則呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，350 A/cm<'2>、10次輻照條件下表面顯微硬度增加幅度最大，約70％。輻照形成的硬化層深度在100 A/cm<'2>、10次條件下約為100 μm，350 A/cm<'2>、10次條件下增大到300 μm。HIPIB輻照金屬Cu造成表面位錯(cuò)、孿晶等缺陷增加和晶粒細(xì)化的強(qiáng)烈沖擊硬化效應(yīng)，歸結(jié)為表面應(yīng)力及反沖應(yīng)力波的形變強(qiáng)化作用機(jī)制。HIPIB 輻照金屬Cu的球-盤(pán)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)表明，磨合階段持續(xù)時(shí)間受

8、被輻照表面粗糙度和硬度的影響，穩(wěn)定磨損階段的摩擦系數(shù)則受硬化層硬度和深度的影響。350A/cm<'2>、10次輻照條件下，金屬Cu表面的摩擦系數(shù)從原始試樣的0.9減小到0.45，磨痕深度則從 20 μm 減小到 0.8 μm，耐磨性顯著提高。 采用束流密度100-350 A/cm<'2>，輻照次數(shù) 1-10次的HIPIB輻照Al-Cu合金，隨束流密度和輻照次數(shù)增加被輻照表面粗糙化，350 A/cm<'2>、10 次輻照條件下R<

9、,a>達(dá)到最大，約0.5μm。Al-Cu 合金表面形成界面平直的熔融層，厚 5-6.5 μm，熔融層硬度隨束流密度增加而增大，隨輻照次數(shù)的變化不顯著，350 A/cm<'2>、1次輻照條件下熔融層硬度增加幅度最大，約50％。輻照形成的硬化層深度在100 A/cm<'2>、10 次條件下約為50 μm，350A/cm<'2>、10次條件下增大到150 μm。HIPIB輻照Al-Cu合金造成熔融層中Cu原子過(guò)飽和固溶于Al基體，以及位錯(cuò)等缺