多次照射下强流脉冲电子束表面改性40Cr的温度场与熔深数值模拟与试验

发布时间：2024-05-16 01:44

　　为深入了解金属材料进行强流脉冲电子束(HCPEB)处理对组织和性能的影响规律以及为推广HCPEB技术进一步应用提供重要理论和试验参考价值,采用数值模拟和试验相结合的方法研究脉冲电子束照射次数对温度场及熔化层深度的影响。基于热传导的数学模型建立了40Cr进行HCPEB表面处理的温度场有限元模型,对27 kV加速电压下不同照射次数的温度场和熔深作了模拟,并与40Cr进行HCPEB的对应工艺参数试验结果作了对比。通过模拟和试验对比解释了熔化层等现象,分析相同电压下照射次数对温度分布的影响规律。结果表明:27 kV加速电压下,较少次数(1～3次)照射的表面温度升高明显;随照射次数增加,照射5～15次时温度升高趋势逐步放缓;照射次数超过17次后温度趋于稳定,继续增加照射次数对于提高表面温度没有作用;模拟得到的熔深特征与试验结果的趋势和规律一致,这表明该模型下进行数值模拟得到的结果具有较高准确性,照射次数增加对温度场与对熔化层组织厚度的影响规律相同,当照射次数超过10次后,熔化层厚度不随照射次数增加而明显增大。

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【部分图文】：

图1脉冲电子束分析步示意

模拟HCPEB多次照射时，将每次电子束照射和冷却过程看做一个周期，脉宽为3.5μs，冷却时间间隔稳定为5s，为了避免脉冲电子束作用后试样表面剧烈的温度变化使模型不收敛，照射后设置一个时间为6.5s冷却衔接分析步。图1为脉冲电子束分析步示意，每个照射次数设置3个分析步（加热，衔....

图2模型形状与网格划分

模型形状为圆柱体，先在圆柱表面布置均匀的种子，沿着轴线为扫略路径划分网格。为了模型的精确性，将轴线方向上节点的距离设置为1mm，网格单元数量为82800，最小网格尺寸为4.8μm×4.8μm×1.0μm，见图2。1.3工艺参数

图3电子束流平均能量密度与靶距离之间的关系

刘威[22]试验验证，金属材料40Cr在27kV加速电压下HCPEB处理的改性效果较好，在达到一定照射次数后，试样表层温度分布趋于稳定，不随照射次数的增加而变化。因此，采用的加速电压为27kV，照射次数为1～30次进行数值模拟，并将1,5,10,15,20次模拟结果与相同参数....

图440Cr经27kV、25次HCPEB照射后表层温度随时间变化

图4是脉宽为3.5ms，加速电压为27kV、25次HCPEB照射后，40Cr表层深度为0～40mm、时间为0～10ms的模拟三维温度分布。由图4可知，距离表面10μm范围电子束照射处理过程中温度较高，深度超过30μm以后，在电子束照射处理过程中温度保持稳定；27kV、25....

本文编号：3974513