强流脉冲离子束辐照材料应用基础研究
强流脉冲离子束(HIPIB)与材料交互作用的基础研究具有重要的科学意义，同时强流脉冲离子束在表面工程领域有着广阔的应用前景。本论文对HIPIB辐照材料的热学效应进行了模拟，对HIPIB辐照工业纯铁和45＃钢的热力学效应进行了实验研究，获得了HIPIB表面改性的机理及控制规律，为HIPIB的工程应用提供了依据。
系统论述了HIPIB热力学效应模拟和辐照机理等研究方向的进展。采用SRIM程序模拟了C+、H+离子对铁靶的注入作用。运用有限元工程模拟软件ABAQUS，采用体加载、单元死活算法和能量沉积耦合等方式，模拟了HIPIB辐照GH3030、45＃钢和TC4钛合金的热效应。模拟结果表明：辐照离子能量相同时，H+离子的射程大于C+离子；离子的注入在靶材亚表层产生了大量缺陷(vacancies)；50ns脉冲时间内，45＃钢靶材表面的升温速率可达8.8×1010℃/s；辐照结束后，45＃钢靶材表面液相冷却速率达可1.4×1010℃/s。
利用TIA-450型HIPIB设备对工业纯铁和45＃钢进行了表面辐照实验，典型实验参数为：束流组成70％C++30％H+，脉冲宽度50ns，二极管加速电压400kV，束流密度170-200A/cm2。通过对辐照次数分别为1、5、10、20的系列实验，系统地研究了随脉冲次数增加，靶材表面形貌及组织结构的演变过程及规律。
采用扫描电镜(SEM)、显微硬度仪、X射线衍射仪(XRD)和透射电镜(TEM)等方法对靶材表面形貌、相结构、显微硬度及微观组织进行了检测，研究结果表明：
HIPIB辐照使靶材表面发生了快速熔化及凝固，辐照表面形成了熔坑；后续辐照对先前产生的熔坑有模糊化甚至消除的趋势；亚表层局部区域的爆破式喷发是形成熔坑的主要原因。
HIPIB辐照使工业纯铁靶材表面硬度呈提高趋势；随着辐照次数的增加，硬度提高的趋势逐渐减缓；HIPIB辐照对工业纯铁靶材的作用以塑变硬化为主；1次辐照后，淬火45＃钢靶材表面显微硬度提高；随着辐照次数的增加，硬度呈先下降后稳定的趋势；淬火45＃钢靶材表层在多次辐照情况下发生了回复及再结晶；在爆破式喷发引起的强应力波作用下，工业纯铁和45＃钢靶材表面熔坑区的显微硬度水平高于无熔坑区。
HIPIB辐照使工业纯铁靶材中的位错密度增大；随着辐照次数的增加，位错线发展成位错网、位错墙、位错胞以及亚晶界；多次辐照后，工业纯铁靶材局部区域的位错密度下降；多次辐照后，淬火45＃钢靶材中的位错密度比辐照前有所下降；HIPIB辐照使工业纯铁和45＃钢靶材表层出现了择优取向趋势，HIPIB辐照产生的应力波效应和表层液相的定向凝固可能是其成因；反复的应力波作用使组织呈细化趋势。
HIPIB辐照的瞬间熔化再凝固效应使工业纯铁和45＃钢表面部分区域形成了纳米晶和非晶。
本实验条件下，10-20次辐照可使工业纯铁和45＃钢的表面形貌均匀化，组织细化及非晶化；在不显著降低强度的前提下，HIPIB辐照可对淬火45＃钢实现表面组织的细化及非晶化。
- 作者：
- 丰新宇
- 学位授予单位：
- 沈阳理工大学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2010年
- 中图分类号：
- TG174.444；TG142.41
- 关键词：
- 强流脉冲离子束；辐照材料；热学效应；表面改性；控制规律；45#钢靶材；能量沉积耦合
- HIPIB；mechanisms of surface modification；application；simulation；thermodynamical effects