強(qiáng)流脈沖離子束輻照表面的燒蝕改性研究.pdf

1、利用TEMP-6型和ETIGO-II型強(qiáng)流脈沖離子束(HIPIB)裝置，分別產(chǎn)生加速電壓300kV和1MV，脈沖寬度50-80ns，束流密度100-1500A/cm2，能量密度1-90J/cm2的C+和H+離子束。通過(guò)HIPIB輻照石墨和ZrO2涂層燒蝕行為實(shí)驗(yàn)和理論研究，分析了燒蝕表面溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，探明了HIPIB輻照材料的燒蝕作用機(jī)制；利用HIPIB輻照的燒蝕作用，實(shí)現(xiàn)了鎂合金AZ31微弧氧化膜的表面改性，燒蝕改性的鎂合金表面形成

2、的連續(xù)、致密的氧化膜，耐腐蝕性能顯著改善，進(jìn)一步提高了鎂合金微弧氧化膜保護(hù)作用。HIPIB輻照鎂合金AZ31微弧氧化膜燒蝕改性，提供了一種新的、可靠的脈沖離子束表面改性技術(shù)。 通過(guò)HIPIB輻照石墨和ZrO2涂層，燒蝕表面的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，在高能量密度5-90J/cm2條件下，表面升溫速率為1012-1013K/s，溫度梯度達(dá)到103K/μm，表面應(yīng)力波呈壓應(yīng)力和拉應(yīng)力交替的周期性傳播，最大壓應(yīng)力達(dá)到500M

3、Pa。石墨可發(fā)生向類金剛石的非平衡相轉(zhuǎn)變，ZrO2柱狀晶則發(fā)生重熔和再結(jié)晶。輻照表面的熔化、汽化和燒蝕，導(dǎo)致表層材料轉(zhuǎn)移去除和亞表層材料的均勻化和致密化；同時(shí)燒蝕表面在反沖應(yīng)力和溫度梯度作用下，形成非平衡的表面結(jié)構(gòu)。HIPIB輻照的熱-力學(xué)耦合作用是表面燒蝕改性的主要原因。 采用束流密度100-350A/cm2，輻照次數(shù)1-10次的HIPIB燒蝕改性鎂合金AZ31微弧氧化膜。隨束流密度和輻照次數(shù)的增加，具有內(nèi)、外亞層雙層結(jié)構(gòu)的鎂

4、合金微弧氧化膜燒蝕表面熔化趨勢(shì)加劇，200A/cm2已經(jīng)觀察到清晰的表面重熔特征，但表面重熔層深度呈先增大后減小的變化過(guò)程，最大重熔深度在200A/cm2，5次輻照下可達(dá)10μm，完全熔化的外亞層孔隙減少且內(nèi)亞層更為致密。燒蝕表面粗糙度(Ra)則呈先減小后增加的過(guò)程，在200A/cm2，1-10次輻照下，粗糙度由原始氧化膜表面的2.10μm減小到1.18μm，后增加到4.13μm。相應(yīng)的燒蝕表面表面能增加，表面靜態(tài)接觸角由原始氧化膜表面

5、的145.9°單調(diào)減小，最小值可達(dá)到49.7°。燒蝕表面具有混合的Mg2SiO4和MgO相結(jié)構(gòu)，與原始微弧氧化膜相同。燒蝕改性顯著增加了AZ31微弧氧化膜的連續(xù)性和致密性。 采用動(dòng)電位陽(yáng)極極化和電化學(xué)阻抗譜，測(cè)試了HIPIB燒蝕改性鎂合金AZ31微弧氧化膜在3.5％NaCl溶液中的腐蝕性能。燒蝕氧化膜表面發(fā)生的腐蝕過(guò)程由活化溶解向鈍化-孔蝕擊穿轉(zhuǎn)變，孔蝕擊穿電位隨束流密度和輻照次數(shù)的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，隨束流密度由100A

6、/cm2增加到350A/cm2，5次輻照下，孔蝕擊穿電位由-1240mV(SCE)增加到-800mV(SCE)，后減小到-1240mV(SCE)，鈍化電流密度則由10-8A/cm2減小到4×10-9A/cm2，后增加到10-7A/cm2。束流密度200A/cm2，輻照次數(shù)由1次增加到10次，孔蝕擊穿電位由-1420mV(SCE)增加到-800mV(SCE)，陽(yáng)極極化曲線的鈍化電流由3×10-7A/cm2減小到4×10-9A/cm2。輻照

7、后氧化膜的自腐蝕電位均有明顯提高，由原始氧化膜的-1580mV(SCE)增加到200A/cm2，5次輻照時(shí)的最大值-1350mV(SCE)。燒蝕氧化膜表面的陽(yáng)極極化性能顯著改善。 為了表征HIPIB輻照AZ31微弧氧化膜連續(xù)性和致密性對(duì)腐蝕性能的影響，采用在3.5％NaCl溶液中不同浸泡時(shí)間測(cè)量電化學(xué)阻抗譜。燒蝕改性氧化膜的電化學(xué)阻抗譜Nyquist圖呈典型的容抗弧和感抗弧特征，Bode圖輻角-頻率曲線則呈典型的高頻容抗弧、中頻

8、容抗弧和低頻感抗弧特征。隨束流密度和輻照次數(shù)的增加，Nyquist圖的容抗弧和感抗弧均呈先增大后減小的變化過(guò)程，最大容抗弧和感抗弧均在200A/cm2，5次輻照下，浸泡時(shí)間5h可達(dá)6×107Ω和1.5×105Ω。Bode圖的兩個(gè)容抗弧輻角和感抗弧輻角大小和寬度變化不顯著，僅中頻容抗弧寬度呈先增寬后變窄的過(guò)程。在不同浸泡時(shí)間的測(cè)試中，燒蝕改性氧化膜的Nyquist圖容抗弧和感抗弧均隨浸泡時(shí)間的增加而減小，Bode圖的高頻容抗弧輻角減小，中

9、頻容抗弧寬度變窄。在200A/cm2，5次輻照下，浸泡時(shí)間增加至48h，容抗弧減小到4.5×105Ω，相應(yīng)的Bode圖開(kāi)始出現(xiàn)低頻感抗弧，進(jìn)一步增加到192h，容抗弧繼續(xù)減小，但低頻感抗弧基本不變。采用Zsimpwin軟件對(duì)燒蝕改性氧化膜電化學(xué)阻抗譜進(jìn)行模擬。改性氧化膜內(nèi)、外亞層阻抗較原始氧化膜顯著提高。在200A/cm2，5次輻照下，與原始微弧氧化膜相比較，浸泡時(shí)間5h，內(nèi)、外亞層電阻由1.52×106Ω和5.3×104Ω分別增加到7