（等离子体物理专业论文）强流脉冲电子束材料表面改性的二维数值模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本学位论文主要以纯m 材料为实验基础，研究强流脉冲电子束材料表面改性过程 的机制和二维温度场的数值模拟。首先，我们采用瞬态的热一力学方程对强流脉冲电子 束表面改性的动态过程给予了合理的物理描述，包括快速变化的温度场、随温度场耦合 变化的热弹性应力波、准静态热应力等。建立了样品的二维温度场和弹性范围内的热应 力场的数学物理模型，利用显式有限中心差分法求解温度场及热应力场，并对其温度场 进行数值模拟，经过反复模拟，得到了不同时刻的温度场随着材料表层的径向和轴向变 化的相关分布。 在温度场数值模拟计算中，提出圆柱形样品的内热源处理方法，首先通过实测数据 拟合了脉冲半高宽为0 8 9 , s 、电子柬能量密度为3 4 5 j c m 2 、加速电压为2 8 k v 的脉冲 加速电压和脉冲电子束功率的函数，并考虑了伴随相变的热传导系数及比热容等物理参 数随温度的变化。在材料熔化过程中，采用温度补偿法处理潜热的吸收和释放。使用显 式差分法模拟温度场，需要满足一定的稳定性条件。根据温度场的模拟结果，给出了最 先熔化时刻o 5 8 1 a s 、熔化深度大约为1 9 9 i n 等有关参数，揭示了电子束作用范围及材料 径向和轴向的传热的变化情况。 我们还给出了电子束轰击样品的实验结果，熔化层厚度为1 4 m 左右，可以知道， 数值模拟结果与试验结果基本吻合。实验结果和数值模拟结果相结合，解释了材料表层 径向温度的分布特点。 假定材料没有熔化，即在作用时间内，材料只发生弹性变形不涉及熔化后的塑性变 形，根据简化的热应力场数学物理模型，我们研究了在弹性限度内热应力波的色散关系， 从而了解热应力波的传播情况及对材料的影响。 关键词：强流脉冲电子束；二维数学物理模型；温度场；数值模拟；热应力波 堡堕堕塑皇王壅堑型室亘堕竺盟三燮型 t w o - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm a t e r i a l ss u r f a c e m o d i f i c a t i o nb y i g hc u r r e n t p u l s e de l e c t r o nb e a m ( h c p e b ) a b s t r a c t b a s e do np u r ea l u m i n u m ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s i s o fm a t e r i a l ss u r n c em o d i f i c a t i o nb yh i 曲c u r r e n tp u l s e de l e c t r o nb e a m ( h c p e b ) f i r s t ， n o n 1 i n e a ra n dn o n - e q u i l i b r i u mt h e r m o d y n a m i c - m e c h a n i c a le q u a t i o n sa r eu s e dt of u l l y d e s c r i b ed y n a m i cp r o c e s si n d u c e db yh c p e bb o m b a r d m e n t ，s u c ha st h et r a n s i e n t t e m p e r a t u r ef i e l d a n dt h e c o u p l e dt e m p e r a t u r e - d y n a m i ct h e r m a l s t r e s s f i e l d s p e c i a l l y ， q u a s i s t a t i cs t r e s s t h e r m oe l a s t i cs t r e s s n l ea x i s y m m e t d cp h y s i c a la n dm a t h e m a t i cm o d e l o f t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s sf i e l da r ee s t a b l i s h e d ，t h e nm a k eu s eo fo b v i o u s l yl i m i t e d d i f f e r e n t i a lm e t h o dt od i s p e r s et h e ma n dt os i m u l a t et w o d i m e n s i o n a lt e m p e m t u r ef i e l d w e g a i nt h ec o r r e l a t i v ed i s t r i b u t i n go f t e m p e r a t u r ef i e l dw i t hr a d i a la n d a x i a l i nt h et e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l a t i o n , t 1 1 em e t h o do fe o l u r a n i f o r r nm a t e d a l s t h e r m a l f o u n t a i ni sa d v a n c e d f o l l o w i n ga s s u m p t i o n sa n da p p r o x i m a t i o n sa r et a k e ni n t oa c c o u n tb y h c p e bo f 2 8 k v 、o 8 u sa n d3 4 5 j c m 2 ：t e m p o r a lf u n c t i o n so f p u l s e dv o l t a g ea n dp o w e ra r e f i r e dw i t he x p e r i m e n t a l l ym e a s u r e dd a t a , p h a s et r a n s i t i o nr e l a t e dp h y s i c a lp a r a m e t e r ss u c ha s t h es p e c i f i ch e a tc a p a c i t ya n dh e a tc o n d u c t i v i t ye t e a r et r e a t e dt e m p e r a t u r e - d e p e n d e n t l y ，a n d t h el a t e n th e a ti sa l s oc o m p e n s a t e dw i t ht e m p e r a t u r e 皿1 c s en u m e r i c a ls i m u l a t i o i l sa r ec a r r i e d o u tf o ra l u m i n u mt or e v e a lt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n gi nt h es a m p l e s ，w h i c hp r o v i d e s q u a n t i t a t i v ei n f o r m a t i o no fm e l t i n gl a y e rt h i c k n e s s ( 2 “m ) a n dt h ef i r s tt i m eo fm e l t i n g ( o 5 8 弘s ) n l e ya l s og a i nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h em e l t i n gl a y e rt h i c k n e s s i s1 4 u u n c o m p a r i n g w i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s t i m u l a n tr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n db o t ha r e c o n s i s t e n to nt h ew h o l e i na d d i t i o n ，t h ed i s p e r s i v er e l a t i o na n dc o r r e s p o n d i n gp h y s i c a lv a r i a b l ef r o mt h em o d e l o ft h e r m a ls t r e s sw a v ei sd e d u c e d t h e s er e s u l t sg i v et r a n s m i t t e da n de v o l u t i v ep r o c e s so f t h e r m a 】s t r e s sw a v eo um a t e d a l k e yw o r d s ：h i g hc u r r e n tp u l s e de l e c t r o nb e a m ( h c p e b ) ；t w o - d i m e n s i o n a l m o d e lo f p h y s i c sa n dm a t h s ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t h e r m a ls t r e s sw a v e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：i1 38 垫垭 导师虢王p 老翔导师签名：望旦垄捆 里! 年月盟日 大连理工大学硕士学位论文 绪论 引言 材料性能的研究与发展，一直是科学领域中的一个热门话题。目前，利用三束( 激 光束、电子束、离子束) 进行材料表面改性备受人们关注，脉冲高能束表面改性则是近 年来出现的新型改性技术，它与传统的高能束( 利用连续束或类稳束) 改性方法相比， 具有瞬时能量更高( 可达1 0 9 w c m 2 ) 、作用时间短( 1 0 - 61 0 母s ) 、可控性高、加工变形 小等优点。与此同时，瞬态能量沉积( 高能辐照) 所引发的快速熔凝及蒸发、热击波、 能量膨胀、增强扩散等效应为其赋予新的特性和功能【”。其中，强流脉冲电子束( h c p e b ) 技术发展地尤为迅速。 早在2 0 世纪5 0 年代就有人提出了强流相对论性电子束的概念，直n 6 0 年代，英国原 子武器研究中一t l , 的j c m a r t i n 等1 2 首先提出和研制高功率脉冲装置用于产生强流脉冲电 子柬，成功地发展了利用m a r x 发生器技术对脉冲形成进行脉冲充电( p u l s e f o r m i n g l i n e - p f l ) 、产生短脉冲宽度( 1 0 1 0 0 n s ) 的高功率脉冲技术。强流脉冲电子束在8 0 年代 后期开始用于金属、绝缘体及高聚物等的表面改性研究f 引。 脉冲电子束表面改性处理不仅可以提高和改善材料的表层性能，而且在可操作性及 经济效益等方面也具有明显的优越性，因此具有十分广阔的应用前景。 1 2 电子束表面改性处理的特点 电子束具有高能量密度、易于控制和调节等优点。 1 2 1 与传统工艺相比 电子束工艺是一种较为先进的表面改性处理技术，与传统的表面处理工艺相比，它 具有以下优点【4 j ： 工件变形小。因为电子束表面改性处理过程中，只对工件的表面局部区域进行升降 温处理，整个零件并未进入高温状态，输入零件的总能量少，因此几乎不可能产生变形， 尤其是对于大型零件更是如此。所以，对于精密加工之后的工件特别适合，可大大减少 精加工的研磨留景。 节约能量、效率高。电子束表面处理局部能量密度高，但处理时间很短。加上电热 转换效率高达9 0 以上，故消耗的能量很少。 强流脉冲电予柬材料表面改性的二维数值模拟 清洁。由于加工处理在真空室中进行，氧气、氮气所产生的有害影响极小，可以获 得非常洁净的表面处理层。另外，处理过程中不需要油、水、盐等媒质，所以不会污染 处理的零件和操作环境。 处理方式灵活。电子束的输出能量密度及其在工件表面的处理位置均可灵活、准确 的调节。因而表面改性的部位和处理层的深度均可得到精确控制。 熏复性好。因为电子束的总能量与功率密度的控制精度很高，扫描范围与处理位置 可准确定位，所以可保证批量处理零件时的良好重复性。 除此之外，采用电子束表面改性技术还可以在客观上带来节省贵重金属的使用、简 化生产工序及周转时间等可观的经济效益。 1 2 2 与其他高能束工艺相比较 电子束、离子束和激光束同属载能束范畴，都是以高功率能量密度的束流沉积在 材料表面，主要通过温度场与应力场耦合来实现材料表面改性5 1 3 1 。例如都可以进行金 属表面淬火、表面合金化处理等。但是，实际应用中它们还是各有其特点的，表1 1 列出 电子束与激光束的比较【州。与其他二束相比，电子束注入的能量在电予的射程范围内， 表1 1 电子束和激光束的比较 项目电子束 激光束 能量效率9 0 10 9 6 防止反射不需要防止反射 需涂反射防止剂，反射率9 0 在大气中进行( 但有时需辅助 气氛条件在真空中进行 气体) 通过移动透镜或电子枪的移 能量传送 平行光路系统的激光束传送 动来传送能量 通过控制聚束透镜的电流由于透镜的焦距是固定的，所 对焦 ( 1 0 0 6 0 0 r a m ) 以要移动工作台( 1 5 0 m m ) 通过调节偏转线圈的电流可 束偏转 利用反射镜使激光束偏转 选择任意图形 17 1 4 设备运行费 ( 以电子束设备运行费为1 )( 电、激光气体、辅助气体) 大连理工大学硕士学位论文 其作用深度远大于离子束和激光束，可以获得较深的改性层，且不存在激光的反射和离 子束注入的溅射问题。在表面改性过程中，电子柬和激光束处理只引入能量而不引入杂 质，而离子注入则可在沉积能量的同时直接改变材料表面的成份。 总而言之，由于高能束独特的加热方式，给金属的表面改性技术带来新的概念和特 点。高能束密度射束有利地补充了热处理的常规方法，确实有大量难以用常规方法处理 的几何形状复杂的工件，可以用射束技术成功地解决。 1 3 电子束表面改性技术的分类 按照不同的工艺或技术角度，可以对电子束表面改性技术进行分类。 1 3 1 按电子束能量注入形式 电子束用于材料的表面改性处理，主要是利用其所具有的高能量密度热源的特性， 所以材料表面的温度和改性层的尺寸( 包括加工面积和加工深度) ，将直接取决于入射 电子束的作用形式( 包括功率密度分布、作用时间等) 。根据入射电子柬与时间之间的 关系，可以将其划分为连续型及脉冲式工作。 一、连续型电子束 在这种方式下，电子枪发射的电子束是连续固定的，材料表面所获得的能量主要由 与材料的作用时间及对入射电子束的控制来确定，下图是日本岩田笃等人所采用的连续 型电子柬表面处理装置i 川。 图】电子束表面改性装置示意图( 连续型) f i g 1 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f c o n t i n u o u se l e c t r o nb e a me q u i p m e n t 强流脉冲电子束材料表面改性的二维数值模拟 二、脉冲式电子束 图1 2 所示，在连续输出工作方式下，由于能量的连续供给，在加热区域的周边产生 热量积蓄，与此同时在电子柬照射后，滞后一段时间产生的蒸汽会使入射电子束发生散 射，结果电子束密度降低，加工变质层增大。由于电子束以极短时间脉动输出，也可以 减少直至避免金属蒸汽的产生，继续照射时蒸汽已经消失，这样电子束就不会产生散射。 另外，脉冲工作方式也可以在很大程度上改善入射电子束截面能量密度分布，有效地切 断了低能量密度部分，因此能确保得到高能量密度的电子束【1 6 l 。 i 乜了 抽i 璁 输 廿j 对 电 时闻 ! u 丁求 血lr b ( a ) 连续输出 ( b ) 脉冲输出 图1 2 电子柬表面改性原理示意圈：( a ) 连续型( b ) 脉冲型 f i g 1 2s c h e m a t i c i l l u s t r a t i o n o f t h es u r f a c e m o d i f i c a t i o n p r o c e s s w i t hc o n t i n u o u s ( a ) a n dp u l s e de l e c t r o nb e a m ( b ) 目前，两种方式的电子束表面改性处理均被广泛采纳和使用 1 7 - 1 9 l 。从各自的运行特 点出发，连续型处理比较适合输入功率不是很高、处理区域较规则的工件；而脉冲型处 理更加适合高功率、大束斑、复杂零件的特殊位置处理等场合。从操作性方面看，脉冲 电子束属于一种新概念的加工方法，它除了以常用的功率密度、作用时间等作为时间控 制因子外，还可以通过电子束辐照点的位置的组台、脉冲照射次数等控制因子使加工处 理公式更为灵活、精确。 1 3 2 按表面改性效果 根据采用的工作参数范围及表面处理后的效果不同，可将目前的电子束表面改性技 术分为以下几种类型： 一、表面淬火 大连理工大学颐士学位论文 如果电子束斑平均功率密度在1 0 3 1 0 4 w c m 2 的范围内，通过控制轰击作用时间 1 0 s ，可以使金属受轰击表面达到相变温度或熔点以上，电子束停止加热后，由于“基 体”基本上为室温，表面层所获得的热量通过工件自身的热传导迅速散去，使加热表面 很快冷却，冷却速度可达1 0 4 1 0 6 c s ，这样就可以获得“自淬火”的效果。表面层加热 温度超过相变但未及熔点温度时，相变过程中工件处于奥氏体状态的时间很短，晶粒还 来不及长大，故可获得金相结构为超细晶粒的组织；同样，当表面温度超过熔点时，熔 化薄层在极短时间内经历凝固过程，也可以得到细化均匀的超细组织，从而使材料表面 层的强度、硬度、耐磨性及耐疲劳性等方面的性能大大提高，故往往也把这种方法称为 “表面强化” 2 0 l 。 二、表面合金化 在工件表面涂上一薄层其他材料，仍然用1 0 3 1 0 4 w c m 2 的功率密度，相对于表面淬 火适当延长电子束与表面的作用时间，使表面涂敷层熔化，基体材料的表面薄层也微熔， 形成表面局部区域的冶炼得到新的合金，从而达到表面合金化的目的。合金层可具有一 些特殊的性能，如高硬度、高耐磨、强抗蚀性等等。薄层的涂敷方法很多，例如镀膜、 热喷涂、粉末烧结、以至涂刷等均可，但处理后面的光洁度不大一样。另外，可以根据 工艺需要，直接选择相应具有特殊性能的合金粉末( 例如w c 、c r c 、n i c 、t i c 、c o c r w 等) 涂敷在零件表面，通过电子束使其熔化后形成具有二者混合成分的合金层或表层仅 有粉末所含元素的合金层【2 1 1 。当在材料表面获得相当厚度的合金层时，也可将其称为“表 面熔敷”。 三、表面非晶态处理 将电子束的平均功率密度提高到1 0 6 1 0 7 w c m 2 ，缩短作用时间至1 0 4 s 左右。首先， 使金属工件表面很薄的一层( 几个r u n ) 熔化，然后停止电子束辐射，金属表面立即 会由于热量向基体的热扩散以极快的速度冷却( 1 0 ”* c s ) ，即可得到非结晶态的组 织。非晶的金相组织形态致密，具有优异的抗疲劳及抗腐蚀性能【2 2 j 。 四、冲击淬火 当电子束的功率密度提高至t j l 0 8 - 1 0 9 w c m 2 ，而照射时间为1 0 4 1 0 s 时，则在高能 粒子的轰击下，金属的原子结构排列会发生变化，由此可能导致材料性能的根本变化【2 3 1 。 五、表面薄层退火 当电子束作为表面薄层退火热源使用时，所需要的功率密度要较上述方法低的多， 其根本目的是降低材料的冷却速度。对于金属材料，主要应用于薄带处理。另外，电子 束退火还成功地用于半导体材料上。目前，离子注入方法是进行半导体掺杂的有利手段， 不但可以控制掺杂深度及杂质浓度，而且能得到特殊的杂质浓度分布。然而，高能量的 强流脉冲电子束材料表面改性的二维数值模拟 离子注入会造成晶格损伤，使半导体表面出现无序层和大量的位错，严重影响其使用性 能2 4 j 。通过脉冲或扫描电子束表面薄层退火处理，半导体表面层可通过固态或液态外延 作用消除损伤，同时保证杂质不会再分布，电激活率接近1 0 0 2 5 2 6 】。 目前，表面非晶态处理，冲击淬火方法仍处于试验研究阶段，而其他几种方法已经 部分应用于工业生产f 2 7 圆】，而且人们仍在努力探索新的电子束表面处理工艺【3 0 。3 2 1 ，扩大 电子束技术的应用范围。 1 4 电子束表面改性技术的应用 材料表面层的物理、化学及机械等性能始终是构成其整体性能的重要组成部分，尤 其是在一些特殊场合，材料的表面性能将起到关键性作用【3 引。电子柬处理是一种选择性 区域处理，其工作过程类似于电子束焊接。从电子枪阴极表面发射的点子，经加速后直 接轰击需要处理的工件表面，瞬间的能量转换和沉积使“表面层”( 几个u m 一几个m m ) 温度急剧升高，而基体仍然保持“冷态”，电子束结束照射时，加热区域的热量迅速向 基体扩散，表面层的温度急剧下降，从而在表面改性层中形成特定的加热、冷却过程， 类似于常规的热处理过程。除此之外，快速的升温冷却过程中形成的巨大温度差会在改 性过程中同步造成热应力的产生，并形成一定的应力分布状态【3 4 】。以上述过程为基础， 通过控制入射电子束的形成、能量幅值及空间分布，同时附以必要合金元素( 气体或固 体) 的添加，就构成了电子束表面改性处理的独特工艺。 与其他电子束工艺相比，电子束表面改性技术是7 0 年代才发展起来的新技术。在7 0 年代初，美苏两国首先将电子束用于薄带钢、细丝的连续真空退火和研究淬火问题，这 标志着电子束技术开始用于材料表面改性处理。美、苏两园在电子束表面改性技术方面 始终走在世晃前列。苏联在1 9 7 6 年报道了用电子束处理薄的低碳钢带及用电子束进行4 5 。 钢淬火的实验结果；还研究了电子束加热对耐热金属强度的影响。美国印第安纳州的科 科莫克莱斯勒公司在7 0 年代末就建成一台由芝加哥夏基兄弟公司提供的电子束系统处 理离合器零件，主要是对离含器上指定表面位置进行淬火处理，每小时可处理2 5 0 个1 3 “。 为了研究电子束与靶材的相互作用区( 即电子束沉积范围) ，b e r g e r ( 1 9 6 3 ) 、s h i r n i z u f 1 9 7 1 ) 、h e i n r i c h 等人( 1 9 7 6 ) 采用m o n t ec a r l o r ) z 法对电子轨迹进行模拟m j 。 8 0 年代是电子束表面改性技术蓬勃发展的时期，世界各国关于成功运用该技术的报 道屡见不鲜。8 0 年代初开始，东德焊接技术中央研究所进行了柴油机活塞的活塞环槽电 子束熔融淬火处理实验并取得了成果。采用电子束熔融淬火可以改变铝合金基材的表面 性能，提高其耐磨性，所以在解决其他材料的此类问题上显示出很大的优越性。到8 6 年， 大型活塞的电子束熔融淬火装置就已经转入东德国内的活塞厂生产p ”。8 0 年代中期，日 大连理工大学硕士学位论文 本开始将电子束表面改性技术应用于汽车零件的加工处理方面。在五十铃6 b 系列发动机 的挺杆上成功地使用了电子束淬火法田】。同期，法国报道了挡环式离合器滚子滑道的电 子束处理方法，用电子束处理的滑道表面硬度超过h r c 5 8 ，从而改善了耐磨性。意大利 学者a r t i n g e r 与k o r a c h 对高速钢的电子束局部熔化处理进行了深入探讨，研究结果得出： 电子束局部重熔可以使高速钢的显微组织变为具有1 3 p m 次生枝晶臂间距的细枝晶组织 和宽0 5 1 1 t m 的枝晶间共晶碳化物；碳化物的合金元素相对含量比基体要高1 2 1 3 倍，分 布更为均匀：与基体相比，重熔区的硬度显著提高：重熔区断口均为细晶状，呈韧性特 性，而基体材料呈脆性特征【3 ”。8 0 年代中后期，随着微电子控制技术及制造工艺的发展， 开始出现了计算机控制的电子束表面改性装置，如图1 - 3 所示。在这种系统中，通过电子 束入射能量及其与表面作用位置和时间的精确控制，就可以实现高精度、任意复杂形状 工件的表面改性处理。据报道，美国夏基公司已经将这样的系统用于汽车制造生产线上， 由一台计算机控制的4 2 k w 电子枪可处理s a e 5 0 6 0 钢制传动离合器凸轮上的八个部件， 硬化层深度为1 5 m m ，硬度为h r c 5 8 ，一次处理三只工件，在真空室中的停留处理时间 只有4 2 s 。另外，s k f 工业公司与美国空军空气动力航空实验室合作，采用电子束表面淬 火工艺处理飞机发动机主轴州成套权，处理后的滚动接触表面的硬化层深为0 7 6 m m ， 可以有效的抑制套圈的轴向疲劳裂纹的扩展【3 5 】。 徽型计算机 图1 3 计算机控制电子束表面改性装置结构示意图 f i g 1 3s c h e m a t i c i l l u s t r a t i o n o f c o m p u t e r - c o n t r o l l e de q u i p m e n t f o rs u r f a c e m o d i f i c a t i o nw i t he l e c t r o nb e a m 近几年来，电子束材料表面改性应用领域不断扩大。m a r k o v 等首先建立了强流脉 冲电子束轰击在金属材料内引发温度场的物理模型，并且得到了与实验符合较好的数值 计算结果 3 9 i 。p r o s k u r o v k y 等在纯铁、膜层体系、钢和铝合金等材料的表面改性方面作了 大量的工作口4 “o “”。主要包括对碳钢的与合金钢进行表面强化以提高材料表面的耐磨 性和耐腐蚀性等，他们发现在材料熔化的外表面层内，原始组织中的第二相被部分或完 回8 强流脉冲电子柬材料表面改性的二维数值模拟 全熔解，从而形成了过饱和的固溶体以及残余的纳米级第二相颗粒，这些微结构的变化 提高了材料表层的强度和电化学性能。为了更好的理解这些现象，他们进一步发展了 m a r k o v 等的模型，对温度场和应力场同时进行了数值模拟，图1 4 是他们1 9 9 8 年对电子 束表面改性过程中轰击试样内温度及应力变化情况进行数值计算的结果【4 2 】，给出了材料 表层升温、熔化、凝固及冷却的大致过程，结果表明，电子束轰击过程中，加热和冷却 的速度达到1 0 ”k s ，凝固时结晶前沿移动的速度达到2 5 i i l s 。同时，他们也给出了热 应力波的数值模拟结果，其幅值大约只有0 1 m p a 左右，并且指出材料深层的改性( 超过 热影响区) 是由于热应力波作用的结果，类似于高频振动应力的疲劳过程。 乌克兰p o g r e b n j a k 等人则着重研究了h c p e b 对材料结构的影响，以及表面合金化对 不同材料表面性能的提高作用1 4 3 4 9 】。他们采用电子束蒸镀金属薄膜与h c p e b 后处理结合 的方法在纯铁表面实现了钽、钼、铬、铝等元素的合金化 4 4 5 1 ，同时提高了纯铁的耐磨 性和耐腐蚀性。并且使用n a d e z h d a - 2 强流脉冲电子束源，利用r b s 、s p b ( s l o w p o s i t r o n b e a m ) 和正电子寿命的测量以及t e m 和s e m 等技术，对电子束轰击后的纯铁表面层进行 研究，发现了大量的非平衡空位向表厦移动，空位的密度达到1 0 0 ，因此在缺陷区域材 料的局部密度降低，并且认为这些局部的低密度区域是熔坑在材料表面形成的根源【4 9 1 。 置 t a ) 0 1 0 b 0 5 董o - o0 5 - 0 i o 震_ 第 0 ；7 一、i ( ￥v j 。 。 i j 、 t 、：j f i ； 二j j 、； ii 图1 4 脉冲电子束表面处理过程中动态温度、应力场分布模拟计算结果 ( a ) 铜、铝、铁靶材不同层深最高加热温度( b ) 铁靶中不同时刻的应力分布 f i g 1 4s i m u l a t e dt e m p e r a t u r ef i e l d ( a ) a n ds l e s sw a v ec o ) d i s t r i b u t i o ni nt h et a r g e t s b o m b a r d e db yp u l s e de l e c t r o nb e a m 根据目前的文献报道，针对电子束表面改性过程中涉及到的模拟计算问题，己初步 建立了一些模型和相应的算法【5 0 1 ，但在已有的计算方法中主要采用一维模型进行数值模 渤 嚣 嘲 大连理工大学硕士学位论文 拟，模型中通常忽略入射电子束的能量分布特性，包括随时间及在空间上的不均性，而 且没有考虑载能电子特殊的能量沉积方式，即电子射程内的能量损失过程，而这一点正 是电子束处理工艺的独特之处，电子束处理后材料表层的特征形貌、微观结构变化，以 及应力状态的分布特点都与此密切相关。 在国内，利用俄罗斯n a d e z h d a 一2 强流电子束源，三束材料改性实验室先后进行了 大量的实验。秦颖博士给出了强流脉冲电子束材料表面改性温度场及应力场的一维模 型，并进行数值模拟，得到的模拟结果与实验结果基本吻合，她还提出了熔坑的形成原 理【5 “。郝胜智博士论文研究期间以纯铝靶材为基础研究材料，深入研究了不同参数的脉 冲电子束轰击处理对试样显微结构和力学性能的影响规律，进而获得强流脉冲电子束表 面改性的一些微观物理机制【5 2 j 。 综上所述，强流脉冲电子束表面改性作为一种现代的材料加工手段，无论在机理研 究还是在应用上均处于初始发展阶段，远未成熟，国内更是少有问津，有如下待解决问 题【5 2 】： 1 、 对改性过程和作用机制的认识还不完整，尤其是瞬间的热、应力场的耦合作 用没有定量描述，也缺少实验证据； 2 、 材料微观结构及性能变化方面缺乏系统性的实验观察和测试； 3 、 强流脉冲电子束表面改性过程的数值模拟方面尚需完善，模型建立及计算过 程中需要结合实际的处理条件； 4 、 强流脉冲电子束表面改性技术的实际应用很少。 1 。5 研究内容 本论文在强流脉冲电子束材料表面改性过程的一维数值模拟的基础上，进一步进行 二维数值模拟的研究和分析，那么开展了以下几方面的工作： 1 、 二维温度场和热应力场模型的建立 在大量实验现象的分析与总结的基础上，建立了二维含有内热源的瞬 态热传导方程；考虑了弹性范围内的热应力，结合热弹性理论和虎克定律、 牛顿定律，给出了热应力的数学物理模型。采用显式有限差分法离散温度 场和热应力场方程。选取圆柱形纯铝材为研究对象。 2 、 内热源项的处理 提出了二维瞬态内热源的处理方法。通过实测数据拟合脉冲电压和电 子束功率的函数，并且给出了电子束在材料径向和轴向上的能量沉积函数； 强流脉冲电子束材料表面改性的二维数值模拟 3 、 在数值模拟计算中，考虑热传导系数及比热容等物理参数随温度的变化， 对熔化过程采用潜热的吸收和释放进行温度补偿的方法。 温度场的数值模拟 由于本论文采用显式有限差分法离散热传导方程，存在解不稳定阚题， 因此在温度场模拟过程中，需要花费大量的时间进行模拟运算。通过温度 场的模拟结果，得到了温度场径向和轴向的相关分布及传热情况，对数值 模拟结果进行分析，揭示了最先熔化时刻和熔化层的深度等参数，并且解 释了材料表面径向改性区的分布特点。 4 、热应力波的色散关系 分析在弹性范围内材料内部主要的应力，忽略应力在径向对材料的影 响，着重研究深度方向上的应力分布和变化情况：根据先前建立的热应力波 模型，解析出几种热应力波的色散关系，进一步了解热应力波对材料深度改 性区的影响，对深入理解电子束材料表面改性技术具有一定的作用。 大连理工大学硕士学位论文 第二章强流脉冲电子束装置 对于具体的电子束表面改性处理工艺来说，所使用的电子柬设备决定了电子束的能 量特性及加工处理方式，进而影响到可处理材料的范围、工艺参数的选择及最终表面改 性的效果及质量等问题。本章主要就论文工作中所使用的“n a d e z h d a 一2 ”型强流脉冲电 子束系统的组成、工作原理及其性能参数等方面进行详细地阐述。 2 1 装置组成 强流脉冲电子束装置如图2 1 所示，主要分为电子强、真空系统、电源控制系统、 诊断系统四个部分。真空系统，包括真空泵组( 一台扩散泵、二台机械泵) 、真空室 ( m 7 0 0 8 0 0 m m ) 、真空阀和通冷却水及排放废气的管道；电源控制系统，包括脉冲高 压发生器、磁场触发电源、同步控制电源等；诊断系统，包括测量工作真空、电子束流、 阴极加速电压、入射束平均能量密度等的有关仪器仪表；电子枪，包括阴极、阳极、火 花源、罗戈夫斯基线圈、磁场线圈等1 5 3 1 。 1 阴极，2 火花源，3 工作靶，4 真空室，5 线圈，6 罗戈夫斯基线圈，7 脉冲 高压发生器，8 支架，9 电控柜，1 0 脉冲触发箱，1 1 高压电容，1 2 1 3 手动真空 阀1 ，2 ，1 4 1 5 机械泵1 ，2 ，t 6 电磁阀门，1 7 扩散泵，1 8 n 2 气 图2 1强流脉冲电子束装置示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eh i g hc u r r e n tp u l s e de l e c t r o nb e a mf h c p e b ) s y s t e m 强流脉冲电子束材料表面改性的二维数值模拟 2 2 放电机制 强流脉冲电子束装置是一种特殊的电物理装置，可产生短脉冲、高能量、大面积、 强束流的电子束，主要用于金属、半导体材料的表面改性处理。下面主要就此设备的运 行机制过程进行简要论述。 2 2 1 强流脉冲电子束的设计原理 利用电子束为热源进行材料表面改性时，其参数将取决于材料表面的加热范围( 面 积、深度) 及加热程度( 熔化、汽化、相变温度等) 。一般情况下，改性层的深度不超过几 个微米，对应电子在材料中的射程，电子的加速电压在4 0 k e v 以下便可满足要求同时也 降低了辐射危害。另外，为了获得很高的温度，避免过多入射能量的传导损失，要求脉冲 加热的速度要快，总体时间不能超过1 0 6 s 。从而可知，电子柬的能量密度应在1 1 0 j e r a 2 范围内，电流密度在1 0 2 1 0 4 a e m 2 。因此，本装置被称为爆炸发射强流脉冲电子柬( 电子 炮) 。 在传统装置中，一般都采用真空二极管产生电子柬【5 6 捌。使用真空二极管阴极形 成爆炸电子发射时，场强须达到3 0 0 4 0 0 k v c m 。这样一方面受到绝缘的限制，电子还会 因空间电荷效应限制发散严重，不能较长距离传播。另一方面要达到上述场强，阳极与阴 极之间的距离d 就要很短( d “o 1 c m ) ，脉冲持续时间不会超过1 0 7 s 。如此短时间的电子 发射，阴极表面上会形成不连续的发射中心，因此电子束截面上的能量分布不均匀。 为克服上述缺点，本装置中使用强流脉冲电子束源，即在电子的产生和传输中使用 等离子体系统。当二极管和电子束漂移空间预先充满与阳极等电势的等离子体时，阴极 的电场以及电子的漂移距离都较真空二极管的对应情况明显改善。当脉冲加速电压加载 到等离子体二极管时，电场首先加在由阴极和阴极附近的空间离子电荷构成的薄层中， 从而为产生阴极等离子体及爆炸电子发射提供了有利的条件1 5 ”。阴极等离子体一旦形成， 阴极加速电压就转移到阴、阳极等离子体之间的双层结构中，而电子束正是在这个区域 产生的。尽管该结构的尺寸取决于阳极等离子体及阴极脉冲加速电压的具体参数，但它 远远小于阴极与阳极之间的距离。这样，当将阴极与阳极之间的距离扩大到几厘米左右 时，电子束脉冲持续时间就可以延长到几个微秒。提高脉冲的持续时间后，阴极表面上分 散的电予发射等离子体有充分的时间汇合( 大约需要1 0 7 s ) ，形成一个稳定的等离子表面， 有效地克服了电子束截砸分布不均匀的因素。另外，由于传输空间充满等离子体，电子束 可以传输相当远的距离( 1 0 2 0 e r a ) ，穿过阳极上的小孔，高速( 光速量级) 运动的高能量 密度电子束辐照在工件上，从而达到材料表面改性的效果。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 2 火花源等离子体阳极电子枪 电子加速间隙及漂移空间中的等离子体可以由多种方法产生，在本装置中采用一套 独立供电的火花源提供等离子体，如图2 2 所示。其中，阴极采用石墨材料，其原因是该材 料在产生爆炸电子发射时所需的电场相对较低。 i 阱搬2 阳搬3 “；挎靶4 真空蜜5 明楹等离于体 6 阳龊罅离予体7 线嘲8 火花源 图2 2 基于真空火花等离子体源的强流脉冲电子枪结构示意图 f i 醇2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f h i g hc u r r e n tp u l s e de l e c t r o nb e a m $ o t t r c l l s i l i gp l a s m a - f i l l e ds y s t e m sb a s e do nv a c u b ms p a r kp l a s m a 由不锈钢制成的阳极，中心位置钻有一孔以通过电子束，同时也起到控截面直径的 作用。火花源放置在阳极后面，由圆周均匀分布的多个石墨阴极火花源组成。多个火花 源电极产生火花放电，形成稠密的阳极等离子体( n = 1 0 1 7 c m 3 ) ，等离子体沿横向、纵向扩 散【5 ”。为了加速等离子体有意义的纵向扩散速度和提高等离子浓度，在放电室外壁加一 个强磁场。可以根据需要的能量密度的不同，调整磁场线圈的位置和选取线圈匝数。这 个磁场要比电子束自身产生的磁场强得多，从而克服了电子束自身磁压缩束斑小的缺 点。 2 2 3 放电过程 当线圈产生的磁场达到其峰值( 1 0 0 0 1 2 0 0 0 e k v ) 时，火花等离子体源开始工作。经 过约2 3 “s 后，等离子体充满电子加速间隙及漂移空间。此时，将高压脉冲发生器生成 的电子加速电压通在阴极上，等离子体二极管中产生爆炸电子发射，从而得到强流脉冲 电子束。实验证明，约9 0 以上的二极管束流从阳极孔通过。此外，电子束的能量密度可 以通过改变高压脉冲发生器的电容、充电电压、外加磁场及阳极工件间的距离等进行调 节。 强流脉冲电子束材料表面改性的二维数值模拟 2 3 工艺参数及装置测试 2 3 1 工艺参数 “n a d e z h d a - 2 ”型强流脉冲电子束装置可以产生特殊形式的电子柬，其主要技术指 标如表2 1 所示。其中，电子束的能量密度可以通过改变高压脉冲发生器的电容、阴极 加速电压以及外加磁场等进行调节。 表2 1 强流脉冲电子束性能参数一览表 t a b l e 2 iw o r k i n gp a r a m e t e r so f t h eh c p e bs y s t e m 电子能量能量密度脉冲时间脉冲频率 束流束斑 4 0 k e v 卜6 j c m 2 3 6 u s 0 1 0 r 0 2 h z 1 0 k a 中6 0 r a m 如果考虑具体的加工条件，材料表面实际获得的能量还与工件加工面距阳极的距离 l ( 如图2 2 所示) 、脉冲电子束的持续时间及累计的轰击次数几个工艺参数有关。显 然，在保持其他处理参数不变的前提下，延长脉冲的持续时间、增加轰击次数，材料表 层获得的入射能量越多。工件距阳极的距离对入射能量的影响，可以从装置工作原理的 分析中得到。当电子束穿过电子枪的阳极后，加速电场不再起作用，而火花源提供的等 离子体的扩散距离是有限的，等离子体密度会逐渐下降，电子在自由空间的飘移运动将 导致入射电子束截面尺寸、密度分布的改变，从而对工件表面实际接受的入射能量密度 产生一定的影响。 2 3 2 装置测试 作为一种新型的材料表面改性方法，强流脉冲电子束的能量特性将直接影响到加工 表面的质量。使用本装置时，与能量特性密切相关的参数包括阴极电子加速电压、电子 束束流、脉冲持续时间等。另外，电子束的加工面积、截面分布也会对加工效果产生直 接的影响。为此，我们对该装置进行了测试工作。将加速电压分压，束流采用罗戈夫斯基 线圈进行感应，然后用双通道记忆示波器记录电压、电流信号波形，从而可以获得电压、 电流随时间的变化情况。 电子束的截面直径