強流脈沖離子束輻照材料表面燒蝕作用研究.pdf

1、利用TEMP-6型和ETIGO-Ⅱ型強流脈沖離子束(High-IntensityPulsedIonBeam-HIPIB)裝置分別產(chǎn)生加速電壓為300kV，脈沖寬度為70-80ns，束流密度為60-500A/cm2，能量密度為1-12J/cm2和1MV，50-60ns，1500A/cm2，～90J/cm2的HIPIB，通過金屬材料、石墨及氧化物涂層燒蝕特性的實驗研究，揭示了燒蝕表面形貌和相結構的變化規(guī)律，結合表面燒蝕過程的理論計算，進一步

2、探明了HIPIB與材料相互作用機理。依據(jù)HIPIB輻照的表面燒蝕作用，拓展HIPIB在材料表面改性方面的應用。 采用100-200A/cm2，1-5次和1500A/cm2，1-3次的HIPIB輻照金屬Ti的實驗研究發(fā)現(xiàn)，表面微觀幾何不均勻性，如微凸、鑲嵌碎屑等的選擇燒蝕而產(chǎn)生液滴噴射，造成了100A/cm2條件下表面形貌以燒蝕坑為主；輻照強度增加到200A/cm2時，表面呈現(xiàn)以波浪狀起伏為主的燒蝕形貌；進一步增加輻照強度至150

3、0A/cm2，束斑中心區(qū)域因均勻燒蝕而較平坦，而在周圍區(qū)域形成燒蝕坑與波浪起伏混合的形貌特征。200A/m2條件下，隨著輻照次數(shù)從1次增加到5次，表面逐漸趨于光滑、平整。金屬Ti輻照表面的相結構均為單一α-Ti相。采用60-200A/cm2，1-50次和50-90J/cm2，1次的HIPIB分別輻照金屬間化合物γ-TiAl，合金中低熔點元素和晶界造成了局部區(qū)域的擇優(yōu)加熱、熔化和蒸發(fā)等不均勻熱效應，除導致合金表面形成燒蝕坑和波浪狀起伏等表

4、面燒蝕特征外，還出現(xiàn)嚴重的沿晶界開裂現(xiàn)象。低熔點Al元素的擇優(yōu)燒蝕，導致γ-TiAl燒蝕表層依次形成了Ti3A1和Ti2Al相。采用300-500A/cm2，1-5次的HIPIB輻照GH33高溫合金，燒蝕表面形貌的變化規(guī)律與金屬Ti相似，但燒蝕坑尺寸較大，且邊緣較模糊；燒蝕表面仍為單一γ相。合金元素的選擇燒蝕雖對表層相結構無明顯影響，但影響了燒蝕表面形貌的形成過程?；陟史ń⒘薍IPIB輻照材料相變傳熱的二維軸對稱模型，計算了能量密度

5、為0.1-120J/cm2條件下金屬Ti的表面燒蝕過程。計算結果表明，金屬Ti熔融和燒蝕的臨界能量密度分別為0.2和0.7J/cm2。在70J/cm2條件下，模擬計算1-10次輻照的燒蝕質量與實驗測量值基本相符。 采用200-350A/cm2，1-5次和1500A/cm2，1次的HIPIB輻照石墨實驗研究，Raman光譜分析表明，350A/cm2，2次以上輻照的表面在波數(shù)為1100至1700cm-1范圍內出現(xiàn)了一個非對稱的寬化峰

6、，石墨表面發(fā)生顯著的相結構變化，形成了類金剛石(Diamond-likeCarbon-DLC)。表面形貌觀察表明，200A/cm2條件下，表面局部區(qū)域內因輕微的選擇燒蝕而呈蜂窩狀結構；增加輻照強度至1500A/cm2，石墨表面的選擇燒蝕逐漸加劇，因液滴噴射而形成球狀和須狀產(chǎn)物，其直徑從350A/cm2時的0.3-0.8μm增加到1500A/cm2時的0.5-1.0μm；在350A/cm2，1-5次輻照條件下，石墨燒蝕表面隨輻照次數(shù)增加而

7、呈現(xiàn)致密化趨勢，與具有較高密度的DLC形成相關。采用本研究建立的HIPIB輻照材料相變傳熱模型計算了石墨表面燒蝕過程，計算結果表明，在200A/cm2，350A/cm2和1500A/cm2條件下，石墨表面以1012-1013K/s的升溫速率達到沸點4523K而發(fā)生燒蝕，隨后以1013-1014K/s的冷卻速率凝固，相應產(chǎn)生的高溫高壓等非平衡熱一力學過程均有利于sp2鍵向sp3鍵轉變，對應的表面溫度梯度分別為6.765×108，6.856

8、×108和1.536×109K/m，表面燒蝕深度分別為0.4，0.8和8.2μm。350A/cm2條件下燒蝕表面具有的高溫高壓過程有利于石墨發(fā)生相變而形成DLC，而輻照強度過高或過低均只有微量DLC形成，前者歸結于嚴重的燒蝕而導致已形成DLC的表面層被去除，后者則可能因產(chǎn)生的壓力條件不足而無法大量形成。 采用300和500A/cm2，1-10次的HIPIB輻照在耐熱鋼基體上等離子體噴涂的Cr2O3涂層，表層仍為單一Cr2O3相，

9、但表面重熔和燒蝕對孔隙的填充作用導致粗糙、多孔的涂層變得平整、致密。在300A/cm2，1次條件下表面致密度略有增加并出現(xiàn)少量微裂紋，熔融層厚約1.5μm且不連續(xù)；繼續(xù)增加輻照次數(shù)到10次，涂層表面更加光滑、平整和致密，但微裂紋增多呈網(wǎng)狀特征。500A/cm2條件下，劇烈的重熔和燒蝕導致涂層表面更為致密，連續(xù)熔融層增厚到約2.0μm，但微裂紋密度仍略有增加。在300A/cm2條件下，隨著輻照次數(shù)從1次增加到10次，重熔Cr2O3層逐漸變

10、得致密導致表面顯微硬度相應增加，從原始的HV1.96N9.82GPa增加到10次輻照的HV1.96N27.88GPa；劃痕測試得到原始及輻照Cr2O3涂層的劃痕曲線均呈連續(xù)變化，表明Cr2O3重熔層與涂層基體為冶金結合?；谠技?00A/cm2，1和10次輻照條件下聲壓反射系數(shù)模的變化曲線，其極小值之間的頻率間隔從原始的21.97MHz增加到10次輻照的23.34MHz，對應于涂層內部的超聲波聲速由原始的2197m/s增加到10次輻照

11、的2343m/s，表明隨著輻照次數(shù)的增加涂層愈加致密，與表面形貌觀察的結果一致。 采用300和400A/cm2，1-10次的HIPIB輻照GH33基體等離子體噴涂ZrO2-7wt.％Y2O3涂層，表面形貌的變化規(guī)律與Cr2O3涂層相似，發(fā)生涂層光滑和致密化。采用300A/cm2，1次的HIPIB輻照電子束物理氣相沉積(electronbeam-physicalvapordeposition-EB-PVD)ZrO2-7％Y2O3涂

12、層，表面熔化和燒蝕對表面微米深度內柱狀晶間隙和孔洞的填充作用使原始疏松且粗糙的表面變得致密、平整，表面保持單一t-ZrO2相不變。在1050℃C×1h條件下循環(huán)氧化20次，輻照ZrO2-7％Y2O3涂層的氧化增重值最低，約為0.4mg/cm2，明顯低于原始熱障涂層的0.7mg/cm2和GH33高溫合金的1.2mg/cm2。與原始涂層相比，HIPIB輻照的熱障涂層中粘結層氧化程度較輕，且熱生長氧化物的氧含量約降低12％。氧化增重曲線和橫截

13、面觀察結果相一致，證實了輻照熱障涂層的抗氧化性能優(yōu)于原始涂層。 因此，材料表面微觀幾何不均勻性顯著影響HIPIB能量的傳遞、吸收和消耗過程，發(fā)生的選擇熔化和燒蝕是金屬表面燒蝕坑、石墨表面球狀和須狀產(chǎn)物以及氧化物涂層表面致密化的主要原因。金屬表面微凸、鑲嵌碎屑、坑洞、雜質、低熔點元素、晶界以及不同相結構等缺陷的選擇熔化和燒蝕，形成以燒蝕坑為主的表面形貌。石墨表面微凸和孔洞的選擇熔化和燒蝕，形成蜂窩狀結構或球狀和須狀物的表面形貌。氧