强流脉冲电子束辐照纯铝表面铬合金化的设计毕业论文

JIANGSU UNIVERSITY本 科 毕 业 论 文强流脉冲电子束辐照纯铝表面 Cr 合金化的研究Process Design of Cr Alloying on Pure Aluminum Surface by High Current Pulsed Electron Beam Irradiation学院名称： 材料科学与工程 专业班级： 金属 1302 学生姓名： 钱振 指导教师姓名： 关庆丰 指导教师职称： 教授 2017 年 5 月江苏大学本科毕业论文第 1 页强流脉冲电子束辐照纯铝表面 Cr 合金化的研究专业班级： 金属 1302 学生姓名：钱振指导教师： 关庆丰 职称：教授摘要：本文将预涂敷 Cr 粉末的纯铝材料放入“HOPE-” 型强流脉冲电子束(HCPEB)设备中并进行了表面辐照处理，预处理辐照次数及合金化辐照次数分别为 20 次、15 次。使用 X 射线衍射仪（XRD）及透射电子显微镜（TEM）观察并分析了表面合金层的形貌及微观结构，同时考察了 HCPEB 合金化后样品表面的力学性能和耐腐蚀性能。实验结果显示，材料在 HCPEB 处理后表层发生了合金化。在合金化层中形成了 Al8Cr5、AlCr 2和 Al13Cr2金属间化合物。此外，还观察到极其细小的 Cr 颗粒均匀分布在 Al 基体中。经 HCPEB 合金化后，在材料内部也诱发了大量的微观组织缺陷，包括位错、亚晶等缺陷。对表面硬度测试后发现，相比原始样品和直接 HCPEB 表面改性的样品，电子束合金化后样品的表面硬度有明显提高。此外，电化学试验的结果也表现出合金化后样品表面有明显改善的耐腐蚀性能。关键词：强流脉冲电子束；纯铝；合金化；微观组织；硬度；耐腐蚀性江苏大学本科毕业论文第 2 页Process Design of Cr Alloying on Pure Aluminum Surface by High Current Pulsed Electron Beam IrradiationAbstract In this paper, the“ HOPE-” high-current pulsed electron beam (HCPEB) equipment was used to irradiate the pure aluminum material which was preset Cr powder on the surface. The number of HCPEB treatment and alloying were 20 Times and 15 times. And then i use X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM) to observe and analyze the morphology and microstructure of the surface alloy layer . The mechanical properties and corrosion resistance of the alloy surface were also investigated. The experimental results show that the samples were alloyed after HCPEB treatment, Al8Cr5, AlCr2 and Al13Cr2 intermetallic compounds are formed in the alloying layer. In addition, it was observed that extremely fine Cr particles were evenly distributed in the Al matrix. After the irradiation of HCPEB, a large number of microstructure defects occurred in the material, including dislocation, sub-crystal and other defects. Compared to the original sample and direct HCPEB surface modified samples, the surface hardness test showed that the surface hardness of the sample after electron beam alloying was significantly improved. In addition, the results of electrochemical experiments on the treated samples show that the corrosion resistance of the surface after alloying is also improved significantly.Key words Metal materials; strong current pulsed electron beam; alloying; pure aluminum; hardness; corrosion resistance江苏大学本科毕业论文第 3 页目录第一章 绪论 .51.1 引言 .51.2 电子束简介 .51.2.1 电子束的发展 .51.2.2 电子束基本原理 .61.2.3 强流脉冲电子束应用实例 .101.3 铝及铝合金简介 .121.4 本课题的研究目的、意义及内容 .13第二章 实验过程及方法 .152.1 实验设备 .152.1.1“HOPE-1”型强流脉冲电子束系统构成及参数 .152.1.2 “HOPE-1”型强流脉冲电子束设备操作流程 .172.2 合金粉末预置方式 .172.3 实验材料及实验过程 .182.4 实验分析设备及方法 .182.4.1 XRD 物相分析 .182.4.2 透射电子显微镜观察和分析 .18江苏大学本科毕业论文第 4 页2.4.3 表面显微硬度测试 .192.4.4 电化学耐腐蚀性能 .19第三章 实验结果及分析 .203.1 XRD 实验分析 .203.2 TEM 实验结果分析 .213.3 Micro hardness 实验结果分析 .253.4 Corrosion resistance 实验结果分析 .26结 论 .28致 谢 .29参考文献 .30江苏大学本科毕业论文第 5 页第一章 绪论1.1 引言铝及其合金由于轻质、导电导热率高、无毒等性能而广泛运用于航空、建筑、汽车、船舶和日用品等领域。但其表面性能如硬度、耐磨性等较差，且在含有 Cl 离子等有侵蚀性阴离子的腐蚀环境下容易发生点腐蚀 24，许多场合下都要对其表面进行涂层保护，如飞机机体表面的防护漆等。大量研究表明铝的表面性能可以通过添加 Cr、Ta、W、Nb 及 V 等元素加以改善 25，但主要问题是在通常的环境温度和压力条件下 Al 与这些元素之间由于缺乏热力学驱动力(混合焓H 0)而不能自发地形成合金体系，即这些过渡金属元素基本不能固溶 Al 中( 0 的互溶体系元素间的合金化上，到目前为止利用HCPEB 表面辐照进行H 0 的互不相溶体系元素间合金化方面的研究较少。尽管如此，我们还是注意到 HCPEB 辐照可显著促进元素间的固溶，一些研究表明 HCPEB 处理钢铁材料，碳化物溶解并形成过饱和 Fe(C)固溶体 28。1.2 电子束简介1.2.1 电子束的发展对于常规材料加工手段，人们已经掌握了足够的经验。但是对于在高温高压、高压低温、极冷极热、及超高速变形等极端情况下材料性能的了解并不多。因此，为了获得更完美的材料性能，有必要对这些极端条件下材料的组织结构、机械性能、力学性能等方面进行研究。1948 年,德国物理学家 Steigerwald 发明了第一台电子束加工设备。 1949 年德国的斯太格瓦尔德利用电子束在不锈钢板上打出直径 0.2 mm 的孔。1955 年左右电子束开始用于热加工。随着对电子束设备的改进，人们对电子束的能量密度的控制越来越精确，可以进行局部重熔，而且多次电子束轰击，对材料的变形影响也会减小。1960 年之后,电子束加工类型开始变得多样化。从 1960 年开始,电子束加工技术不仅仅适用于金属方面了，开始应用于半导体领域,如集成电路的加工。江苏大学本科毕业论文第 7 页近年来，随着对电子束更深入的研究，电子束加工技术又被引入了超细化加工。1.2.2 电子束基本原理强流脉冲电子束(HCPEB)是一种新型载能束表面改性技术 10。强流脉冲电子束可以在一个瞬时过程中(少至几个纳秒)在基体表面产生极高的能量(10 8109 W/cm2)，由于基体内部仍保持冷态，存在很大的温度差，材料表面又会瞬时冷却，造成材料表层迅速熔化、蒸发并迅速凝固的现象，同时电子束作用过程中极高的温度差还会诱发应力场，能够引起材料表面快速而强烈的变形，从而造成特殊的改性效果。电子束表面处理主要用于局部加工。当电子枪将电子束高速轰击金属表面时，高速运动中的电子具有波的性质，能透入到基材表面以下一定深度(10 m左右) ，产生的能量会传递给基材中的电子。由于基体内部还未被加热，加热区域的能量就会快速传递给基体内部，从而使加热区域迅速冷却。因此，电子束加工技术的原理就是将电子束射出的电子的能量通过与基体电子的碰撞传递过去，基体电子快速振动，将能量过渡给金属表层，使表层温度迅速升高，表层再快速熔化、蒸发、凝固，在此过程中表层成分和组织结构会逐渐改变，这就是电子束表面改性的作用。在电子束轰击基体表面的基础上，如果能够改变入射入射电子束的能量密度、靶源距离、脉冲频率以及添加合金元素进行表面处理，这是目前电子束表面改性主要手段。 电子束表面处理的优势 3：a)工件变形小。电子束能量作用于基材局部，因此整体并不是都是加热状态，几乎不可能产生变形。b)节约能量、效率高。电子枪轰击出来的电子束是处于高速状态的，对能量的传递是在瞬时过程中处理完的，而且电热转换效率比激光束高很高，所以耗费的能量很小。c)清洁。电子束表面改性在真空室中进行，氧气、氮气所产生的有害影响江苏大学本科毕业论文第 8 页极小，表面处理层非常洁净。而且不像常规热处理需要用到油、水等冷却介质，所以工件和设备并不会被污染。d)操作方便。通过轻松控制电子束的输出能量密度和精确定位在工件表面的轰击位置控制处理层的深度与广度。e)经济性好。除了耗电量大之外，客观上来讲，电子束表面改性技术在贵重金属的使用、生产工序及周转时间等方面都可以实现更低的消费与更短的时间。三束改性技术包括激光束、电子束、离子束，三者各有优缺点。表 1.1 为电子束与激光束的对比 1。表 1.1 电子束与激光束的对比Table 1.1 Comparison of electron beam and laser beam项目 激光束 电子束能量效率 未涂敷 15% 99%防止