潘宁型HCPEB束源及风机用钢表面改性研究

发布时间：2020-06-13 18:34

【摘要】：强流脉冲电子束(High current pulsed electron beam,HCPEB)技术已快速发展成材料表面改性有效方法。辐照过程中高能入射电子束瞬时穿透材料表面(几个微米),引发快速加热、冷却(109K/s)与凝固过程,热应力效应随之发生;改性表面生成非平衡组织结构。本文在HOPE-Ⅰ型火花源HCPEB基础上,利用潘宁放电原理对HCPEB束源进行改进;并利用HOPE-Ⅰ型HCPEB设备进行表面改性。以40CrNiMo7低合金高强钢、2Cr13马氏体不锈钢和FV520B沉淀硬化马氏体不锈钢为研究对象,通过扫描、透射电镜、X射线衍射、背散射电子衍射和电子探针等测试方法研究改性表面显微组织结构的演变机制;发现改性表面性能的变化规律,探索改善其表面物理化学性能的有效途径。利用潘宁放电可形成大口径,高密度的等离子体长距离通道的优势,设计获得新型强流脉冲电子束源。实验结果表明,潘宁放电经历两个主要过程:高电压小电流阶段和大电流放电阶段。选定最优参数工作气压7.0×10-2 Pa,阳极电压5 kV和磁场强度2000 Gauss,镇流电阻阻值为200 Ω,此条件下可形成直径为80 mm,等离子体密度为1012-1013/cm3,170 mm长的稳定等离子体通道。利用HOPE-Ⅰ型HCPEB设备对正火态和调质态40CrNiMo7钢分别进行表面改性,改性表层均形成复合纳米组织结构(大量奥氏体相和少量马氏体相),发生马氏体转变及渗碳体的溶解和破碎。初次辐照中,极快速冷却促成改性表面形成纳米晶;连续脉冲处理后,改性表层冷却速率逐渐降低,碳元素溶解不断加强并最终实现表面成分均匀化。这两个竞争因素同时作用导致改性表面组织纳米尺寸演变规律。最终,正火态和调质态钢改性表面奥氏体纳米平均尺寸分别由μm量级(几十μm和十几μm)降至～120 nm和～150 nm。正火态钢由于珠光体和铁素体导热率不同,在最初脉冲处理后截面形成熔深差。随着脉冲次数增加,熔深差逐渐减小;改性表面最佳显微硬度(～1000 HK)为原始样品表面显微硬度的3倍。调质态钢改性表面最佳显微硬度较原始样品表面显微硬度增加了 1倍(～553 HV),改性表层磨损率下降至原始表层磨损率的～33.8%;改性表面腐蚀速率由0.12mm/a降低到0.02mm/a,耐蚀性显著提高。此外,2Cr13钢改性表面有奥氏体新相生成,而FV520B钢改性表面相结构并未改变,只在重熔层内产生了新的200晶向择优取向。FV520B钢中极低碳含量0.03(wt.%)使得快速凝固中形成的奥氏体在快速冷却过程中转变为马氏体,以至于不能完全实现奥氏体相稳定化;改性表层组织晶粒细化、致密平整和表层择优取向的产生对材料表面耐磨性和耐蚀性的改善有极大贡献。
【图文】：

截面图,次脉冲,熔坑,强流脉冲电子束

潘宁型ＨＣＰＥＢ束源及风机用钢表面改性研宄＿５１］。强流脉冲电子束表面改性技术的典型特征如下：逡逑１）表面选择净化逡逑ＣＰＥＢ轰击材料表面，通常会在改性表面形成典型的“火山坑”状的熔坑为，熔坑的形成与材料成分的不均匀，以及表层的第二相、缺陷（晶界和相的物理性能差异（熔点和导热性等）密切相关［５Ｍ４］。电子束轰击材料表最大能量沉积出现在电子束射程的１／３处区域，使得材料亚表层局部非均化，成为熔坑喷发的核心位置。研宄同时表明随着脉冲次数的增加，表面渐减小。多次脉冲处理后可使材料表层均匀化，实现改性表面的选择净化ＫＤ１１模具钢强流脉冲电子束表面改性的研宄中发现，，熔化模式下ＳＫＤ１１化物极易形成熔坑喷发核心，改性表面形成典型熔坑形貌［５５］，如图１．１ＦｅＡｌ合金和ＮｉＴｉ合金强流脉冲电子束改性研宄中，发现两种合金在未焰式下，改性表面均产生了选择性熔化现象［２８］，并得到选择净化的效果［５６］。逡逑

暗场像,强流脉冲电子束,铸造镁合金,亚稳相

１．２邋ＡＺ９１铸造镁合金经强流脉冲电子束处理后表面ＴＥＭ形貌，２７邋ｋＶ脉冲轰击（ａ）为表面明场像，其中插图为衍射图谱，（ｂ）为衍射标亚稳相Ｍｇ３．ｉＡｌ0．９的暗场像，（ｄ）为ＭｇｎＡｌｕ的暗场像［６４］逡逑Ｆｉｇ．邋１．邋２邋ＴＥＭ邋ｂｒｉｇｈｔ邋ｆｉｅｌｄ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ｓａｍｐｌｅ邋ｗｉｔｈ邋１５邋ｐｕｌｓｅｓ邋ＨＣＰＥＢ邋ｔｒｅａｔｍｅｉｎｄｉｃａｔｅｓ邋ＳＡＤ邋ｐａｔｔｅｒｎ，邋（ｂ）邋ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓ邋ｔｈｅ邋ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ邋ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ，邋（ｃ）邋ａｎｄ邋（ｄ）邋ｉｌｄａｒｋ邋ｆｉｅｌｄ邋ｏｆ邋ｎａｎｏ－ｇｒａｉｎｅｄ邋Ｍｇ３．ｉＡｌｏ，９邋ａｎｄ邋Ｍｇｉ７Ａｌｉ２邋ｐｈａｓｅ邋ｉｍａｇｅ，邋ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｗｅｒｅ邋ｔａｋｅｎ邋ｆｒｏｍ邋ｔｈｅ邋ｓｐｏｔｅｓ邋ａｓ邋ｄｅｎｏｔｅｄ邋ｂｙ邋ｔｈｅ邋ａｒｒｏｗｓ［６４］逡逑（３）深层改性逡逑强流脉冲电子束辐照过程中，材料表层形成动态变化的温度场，极快的自冷却作用使得改性表层形成极大的温度梯度，高温诱发的热应力场也的共同作用可以改变材料表层晶粒的织构特征，达到深层改性的效果。－７－逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O539;TG174.4

【参考文献】