（等离子体物理专业论文）强流脉冲离子束辐照dz4合金表面改性的研究.pdf

大连理工大学硬士学位论文 摘要 用含c ”( 3 0 m o i ) 和i - i + ( 7 0 m 0 1 ) ，加速电压为2 5 0 k v ，脉冲宽度为? o n s 的强流脉 冲离子束( h i p i b ) 辐照d z 4 镍基高温合金，通过对辐照前后各样品微观结构和宏观性能 的分析，进步认识h i p i b 与材料表面作用的机制，以便了解h i p i b 的应用范围， 扫描电子显微镜( s 跏) 结果显示，辐照后样品的表面出现了熔坑，熔坑表面富集c r 、 m o 、c 等元素。熔坑是由于d z 4 合金的物理化学性质不均匀，辐照时发生选择烧蚀造成 的。多次辐照处理后，样品表面的熔坑边缘模糊了。透射电子显微镜( t e m ) 结果显示， 原始样品主要是由y 楣和y 相组成的。与原始样品比较，辐照后的样品表面产生了一 层厚度为l o n m 左右的纳米多晶层，它是由n i 、c r 、a l 、t i 、w 、m o 、c o 等单质相组成的， 晶粒尺度为5 l o n m ；在距表面一定深度范围内，不存在y 相；随着深度的增加，y ，相的含量逐渐增加。在样品1 0 0 - 1 5 距表面2 0 弘m 的位置，存在一个位错密度很大的 区域。x 射线衍射( x r d ) 显示，辐照后的样品内部存在应力。 动电位扫描阳极极化曲线分析显示，强流脉冲离子束辐照处理后d z 4 合金的耐腐蚀 性能明显提高，腐蚀速度下降，而且更容易达到钝化状态，维钝电流密度更小。恒温氧 化实验表明，在高温氧化时，辐照后的样品更容易在表面形成一层连续致密的a 1 2 0 3 保 护性氧化物，使得d z 4 合金的耐高温氧化性能有所改善。纳米硬度测试结果显示，辐照 后样品最表面的硬度较大，随着深度的增加，达到硬度的极小值，然后硬度逐渐增加到 基体的硬度值。正是由于硬度较大的表面层，导致辐照后样品表面的摩擦系数减小。辐 照后样品截面的努氏显微硬度测试结果显示，h i p i b 辐照提高了基体的硬度，从而提高 了样品的耐磨损性能，这是由于h i p i b 辐照使表面以下某些位置产生大量交织的位错， 导致晶面的滑移阻力加大而造成的。 关键词：强流脉冲离子束；d z 4 合金；微观结构；宏观性能 强流脉冲离子束辐照d z 4 合金表面改性的研究 t h er e s e a r c ho fs u r f a c em o d i f i c a t i o no fa l l o yd z 4i r r a d i a t e db y h i g h - i n t e n s i t yp u l s e di o nb e a m a b s t r a c t s u r f a c ei r r a d i a t i o no fr e f r a c t o r ya l l o yd z 4i sr e a l i z e db yu s i n gh i g hi n t e u s i t yp u l s e di o n b e a m ( n i p m ) c o n t a i n i n gc o * ( 3 0 m 0 1 ) a n di c ( 7 0 m 0 1 ) ，w h e r et h ea c c e l e r a t i n gv o l t a g ea n d p u l s ed u r a t i o na l ef i x e da t2 5 0 k va n d7 0 n sr e s p e c t i v e l y t h em o d i f i c a t i o nm e c h a n i s mo f h i p i b i r r a d i a t i n go nt h es u r f a c eo fd z 4a l l o yi ss t u d i e db ya n a l y z i n gt h em i e r o s t r u c t u r e sa n d p r o p e r t i e so fo r i g i n a la n di r r a d i a t e ds a m p l e s ，i nt h ep u r p o s eo ff u r t h e ru n d e r s t a n d i n gt h e a p p r o p r i a t ea p p l i c a t i o nf i e l d so fh i p i bm e t h o d s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) d e m o n s t r a t e st h a ta f t e rr a d i a t i o n sc r a t e r sa p p e a ro n t h es u r f a c eo fd z 4 a l l o ya n dt h e r ee x i s tp l e n t yo fc r ，m e ，a n dco nt h es u r f a c eo ft h ec r a t e r s t h ea p p e a r a n c eo fc r a t e r si sd u et ou n e v e np h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s c r a t e r st r e n dt od i s a p p e a ra f t e ri r r a d i a t e df o rm a n yt i m e s t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y f r e m ) d e m o n s t r a t e st h a tt h eo r i g i n a ls a m p l ei sm o s t l yc o m p o s e do f 丫a n dtp h a s e s c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a ls a m p l e ，a1 0 n m d e e pn a n o c r y s t a ll a y e ra p p e a r sa f t e ri r r a d i a t i o n ， w h i c hj sc o m p o s e do f n i ，c r , a i ，t i ，w ，m ea n dc oe l e m e n t a lc r y s t a lw i t hag r a i ns i z eo f 5 l o n m 7 d o e sn o te x i s tu n d e rt h en a n o c r y s t a ll a y e r ，a n dy c o n t e n ti n c r e a s e sg r a d u a l l yt ob e t h es a m ea st h eb a s ew i t hd e p t hi n c r e a s i n g t h e r ee x i s t sar e g i o gw i t hp l e n t yo fd i s l o c a t i o n sa t t h ep o s i t i o n2 0 x m d e e pu n d e rt h es u r f a c eo fs a m p l e1 0 0 - 1 5 x r a yd i f f r a c t i o n 唧) d e m o n s t r a t e st h a tt h e r ee x i s t ss t r e s si ni r r a d i a t e ds a m p l e s t h ee l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nt e s ts h o w st h a tt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c e so fs a m p l e sa r e g r e a t l yi m p r o v e da f t e ri r r a d i a t e db yh i p b , c o r r o s i o nr a t e sd e c l i n e , a n dp a s s i v a t i o u sh a p p e n m o r ee a s i l yt h a l lt h eo r i g i n a lo n e t h ei s o t h e r m a lo x i d a t i o nt e s ts h o w st h a tt h eh i g h t e m p e r a t u r eo x i d a t i o nr e s i s t a n c e so fi r r a d i a t e ds a m p l e sa r ea l s oi m p r o v e d ，b e c a u s ei t sm u c h e a s i e rt of o r mac o n t i n a o u sc o m p a c ta 1 2 0 3l a y e ro nt h es u r f a c eo fi r r a d i a t e ds a m p l e st h a no f t h eo a g i n a lo n e n u n o h a r d n e s st e s td e m o n s t r a t e st h a tam a x i m u mo fh a r d n e s sf i r s ta p p e a r s0 1 1 t h et o ps u r f a c eo fi r r a d i a t e ds a m p l e s ，a n dh a r d n e s sd e c r e a s e st oam i n i m u mo n ew i t ht h e d e p t hi n c r e a s i n g a n dt h e nf i n a l l yi n c r e a s e st ot h es a n l eh a r d n e s sv a l u e 勰t h eb a s e i ti st h e h a r d e ri r r a d i a t e ds u r f a 屺el a y e rt h a tr e s u l t si nt h ed e c r e a s eo ft h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t s k n o o p m i c r o h a r d n e s s ( h o t e s ta l s od e m o n s t r a t e st h a tt h eh a r d n e s so ft h eb a s ei si m p r o v e db yh i p i b i r r a d i a t i o na n dt h ew e a rr e s i s t a n c ei sa l s oi m p r o v e da c c o r d i n g l y , w h i c hc a l lb ea t t r i b u t e dt o t h ea p p e a r a n c eo fal o to fd i s l o c a t i o n s 一i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：h i g h i n t e n s i t yp u l s e di o nb e a m ；d z 4r e 丘a c t o r ya l l o y ；m i c r o s t r u c t u r c ； p r o p e r t y 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 作者签名：型! 查兰日期：塑：! ! ：蛰 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。 导师签名：煎塞叠 三堕l 年鱼月2 i 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 强流脉冲离子束概述 离子注入技术6 0 年代起就成功的用于半导体掺杂，此后，该技术不断扩展研究领 域，用于金属、陶瓷、高分子等其他材料的表面改性。长期以来，离子注入以其精确控 制离子柬注入剂量及其分布和低温为其特色1 1 】。强流脉冲离子束( h i g hi n t e n s i t yp u l s e d i o nb e a m s h i p i b ) 技术在核聚变与高能量密度物理研究推动下，已有二十多年的发展历 史，取得了巨大进展。利用磁绝缘离子二极管技术已可产生脉宽为l o 1 0 0 0 n s 、流强为 1 0 1 0 0 0 k a 、离子能量为l o k e v l o m e v 的轻离子束 2 1 。h o d g s o n 在8 0 年代初将h i p i b 用于离子注入半导体退火，并提出了将注入与退火合成一步的半导体掺杂工艺的可能性 【3 】。此后，美国、俄罗斯、日本、波兰等一些拥有h i p i b 装置的实验室，利用h i p i b 处 理金属的超快加热、熔融、固化等特性，发展h i p i b 处理金属表面、离子束混合、制备 薄膜和合成纳米粉末材料，取得重大进展1 4 。近年来，国内的各高校研究机构也逐渐开 始了h i p i b 的研究工作，北京大学重离子物理研究所，西北核技术研究所，大连理工大 学三束材料改性国家重点实验室，北京航天航空大学等进行了h i p i b 辐照材料表面的数 值模拟及材料表面改性和沉积薄膜等的研究。一定能量以上的脉冲离子束辐照在材料表 面上，会使表面熔化，甚至蒸发，烧蚀。h i p i b 产生的热激波，脉冲反冲向材料内部传 播会演化成冲击波，产生大量的点缺陷( 空位和间隙原子) 和线缺陷( 位错) 。应用强脉冲 离子束辐照，可以迸行材料表面清洗、抛光、熔融、闪光退火、非晶化与压力波强化处 理、离子掺杂液相扩散与混合，以及气化烧蚀、等离子体化沉积薄膜和过饱和气相合成 纳米粉末等工艺p 叫。 用来产生离子束的仪器有很多，表1 1 列出了几种h i p i b 源的基本参数，可以看到， 离子束的组成元素和密度有很大差别，能量也从l o 到1 0 0 0 k e v 不等，离子束脉冲宽度 也从5 0 到1 0 0 0 n s 不等，试验中，人们调节束流密度及脉冲次数来获得可比较的数据。 柬流含离子种类不同，能量不同，那么在靶材上的能量沉积剖面不同，入射靶材的深度 及传给靶材的能量分布也不同【1 0 1 。只含旷时，离子入射较深但传给靶材表面能量低，因 而辐照时表面达到的温度较低；只有c 时，该能段的c 入射深度不到ll im ，但传给靶材 表面能量较高；当含有两种离子时，含量不同传递能量效果也不同所以应根据不同的 目的选用不同的离子源材料【1 1 1 。h i p i b 除了普通离子注入包括的离子种类，能量，注入 量等基本参数之外，离子束的脉冲离子流密度，脉冲宽度和脉冲重复频率等，及靶材的 热传导性能也是非常重要的。为了达到不同的目的，需要选择不同的脉冲离子束参数 强流脉冲离子柬辐照d z 4 合金表面改性的研究 - i u c i s5 4 00 0 1 0 1 82 0 0 0a r 。稀有气体 1 2多种材料表面改性处理方法的特点 h i p i b 不同于常规的离子注入，也和激光，电子束等高能量载能束表面改性有所差 别。h i p i b 的参数范围是离子能量1 0 5 1 护e v ，束流脉宽1 0 - - 1 0 0 0 n s ，脉冲功率密度 1 0 l 一1 0 唧c 舻，脉冲能量流密度l 一1 0 j c m 2 ，辐照离子剂量一般低于lx1 0 “c m 2 ，属于 对缺陷敏感的低剂量、高功率的非掺杂型辐照应用，因此比以高剂量掺杂改性为主要机 制的普通离子注入工艺的成本低很多，而效率高得多。而且，h i p i b 在材料表面沉积的 离子能量在时闻、空间尺度上高度集中，所以它是一种高能量利用率和高效率的离子束 技术。同时，它作为高能束流工艺与激光相比也具有独特优点：不存在金属表面反射问 题：容易获得大面积束流；从电源能量换成束流能量的效率很高( 1 0 ) 。此外与电子束 工艺比较，在射程相当情形下离子能量较高则容易达到高的功率密度和能量流密度【1 4 】， 离子在材料表面的能量沉积深度比电子束的小大约两个数量级，更适用于表面处理，而 不改变基体的性质。 大连理工大学硕士学位论文 1 3h i p i b 在材料科学中的应用 1 3 1 川p l b 与材料的基本作用 ( 1 ) 传递能量 辐照固体靶材的离子在轰击过程中将其能量传递给靶材料，其能损总体上分为两个 部分：离子与靶原子中的电子相互作用的电子能损，以及离子与靶核相互作用的核能损 【埘。一个离子射入固体中，受到固体中原子核的碰撞而失去了自身的能量，这个过程称 为核阻止过程。对入射离子阻止能力的大小，取决于入射离子能量、入射离子和靶原子 的质量和原子序数，把这种阻止能力称为核阻止本领或核阻止截面，定义为s ( e ) 。而 入射离子与靶原子外层电子云的相互作用称为电子阻止过程，其阻止本领或阻止截面称 为电子阻止本领或电子阻止截面，定义为s ( e ) 可以得到射程与阻止本领以下的关系： r - 拓丽熹丽 ( 1 ) 其中，n 为固体的原子密度【阍。 在靶中的热扩散受能量密度，脉冲宽度，离子种类和能量等束参数和靶材料的影响。 h i p i b 中，注入基体的离子和基体的电子及晶格发生碰撞，将束能转化为原子动能， 产生的热能便表面温度短时间内迅速升高( 1 0 8 1 0 “k s ) ，由于热传导，脉冲结束一段时 间后，表面温度开始迅速下降( 1 0 。1 0 1 0 l ( s ) ，而且在表面及近表层，温度梯度达到1 o 1 0 9 k m 1 t 埘，随着能量密度的增加，表面达到的最高温度提高，而且升温和冷却的速率 也增加。在大多数试验中，离子束辐照的表面均有熔化现象。如果表层融化了，离子柬 所带的原子或靶表面先前沉积的原子就会在融化的液态中迅速扩散，融化为我们利用预 沉积进行掺杂提供了条件。而且，当提供给材料表面的能量足够高时，材料表面将形成 等离子体，并且使体积迅速膨胀，形成很高的压力，并以冲击波的形式向材料内部传播。 在冲击波的作用下，在远大于射程的区域内，材料结构发生了明显的变化，位错密度增 加。 c a m e l i 和d j r e j 用g a m b l ei i 型仪器处理不同的材料表面，指出不同的材料 有不同的临界熔化能量密度，低于该能量密度，表面不会熔化，高于该能量密度，表面 强烈粗糙化。对于3 0 3 不锈钢，以及镀了l o o n m 铬的6 0 1 0 铝合金表面，临界熔化能量密度 分别是4 5 j c m z 和3 4 j c m 札9 1 。熔化深度与离子能量，束流密度，脉冲宽度，能量密度有 关。当表面温度远远超过材料熔点后，迅速的蒸发和离化产生了以1 0 1 0 7 c m s 运动的 烧蚀等离子体。如果离子能量足够高，就可以形成高密度的等离子体，可以用来快速沉 积薄膜，合成超细粉。h i p i b 产生的烧蚀等离子体可以作为离子源使用，因为它比气体 强流脉冲离子束辐照d z 4 合金表面改性的研究 离化产生的等离子体有更高的密度，而且它可以方便的产生金属离子和其它高熔点的材 料的离子。k y a t s u i 等用h i p i b ( 离子能量为1 m e v ，脉冲宽度为5 0 n s ，能量密度为l o o j c m 2 ) 辐照t i n 表面，高速照片显示靶材表面的烧蚀等离子体明显分布在靶的垂直方向上，并 且烧蚀中心从靶表面以k m s 的速度离开。进步的研究表明，随着能量密度的增加，靶 材的烧蚀深度也增加，并且小于离子的注入深度。烧蚀等离子体在基体表面的寿命大约 是2 0 n s ，了解这一点对于指导薄膜沉积有重要意义：由于薄膜主要是在这一段时间内沉 积，所以可以推算出沉积速率和沉积时基体表面的瞬间温度。k y a t s u i 等还用h i p i b ( 离 子束参数为，离子能量i m e v ，能量密度3 k j c m ，脉冲宽度5 0 n s ) 辐照0 1 m 厚的a 1 靶，烧 蚀等离子体在靶表面产生的压力使靶加速，达至l j 3 k m s 的速度。烧蚀压力估计达到 g p a i r a - 2 玎。 为了进一步了解h i p i b 对材料表面辐照的改性机理。各国研究者都做了一些数值模 拟工作。使用国际通用的t r i m 程序计算离子在靶中的能量沉积分布。计算结果表明不 同离子的能量沉积剖面是不同的，而且和离子能量有关。列出热传导方程后将能量沉积 剖面，束流密度，及其他的材料物性数据带入方程进行求解，得到温度分布，热应力分 布等一系列有用的结果。图1 1 和图1 2 分别为乐小云等模拟的材料表面温度及应力分 布f 埘。 图1 13 0 0 k e y ，1 0 0 m c = 辐照a 1 表面的温度分布 f 垃1 1 t h et e m p e r a t u r eo nt h es u r f a c eo f a i 缸a d i a t e db yh i p i b ( 3 0 0 k e y , 1 0 0 a 咖2 l 功 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 图1 23 0 0 k e y ，1 0 0 m c 辐照a 1 表面的应力分布 f i g 1 2 t h es t r e s so nt h eg l r f a o f a li r r a d i a t e db yh i p i bo o o l ( e v , 1 0 0 , a m 2 h r ) ( 2 ) 注入离子 和激光及电子束不同，离子束也注入了一些物质元素。而这些物质元素在所给的基 体材料中所起的作用和所给基体材料的种类及这些物质元素的种类和剂量有关。 m i h v d ( m a g n e t i c a l l yi n s u l a t e dh i g hv o l t a g ed i o d e ) 产生的离子束密度为l o ” 1 0 “c m 2 ，由h ，c ，o 组成。离子的剂量不足以影响金属和陶瓷的任何结构和机械性能。 而r p i ( r o dp l a s m ai n j e c t o r ) 和删s i c s ( m u l t i c u p si o ns o u r c e ) 产生的离子束密度为 1 0 “1 0 “c 酽，该剂量足以通过掺杂和合金化改变材料的性质【6 l 。 1 3 2 材料表面改性 ( 1 ) 表面形貌 h i p i b 辐照材料使表面熔化、烧蚀，使表面与辐照前大不相同，出现了熔坑、气泡、 微裂纹、网状形貌，粗糙度发生改变。迅速熔化凝固过程的一个重要特点是表面织构。 根据材料组成，初始表面粗糙度r a 和处理条件，材料可能粗糙也可能平滑。抛光到 r a = o 1 微米，被a n a c o n d a 处理的4 6 2 0 钢显示微米尺度的平滑化，伴有熔坑和大尺度( 1 0 0 pm ) 的粗糙化( 具有和激光处理后类似的网状结构) 【4 】。 朱小鹏等将两组不同原始粗糙度的纯钛样品经t e m p 辐照后，样品显示了类似的粗糙 趋势，少数几次脉冲后，粗糙度增加到最大值，随着脉冲次数的增加，粗糙度逐渐减小， 相对于原始高粗糙度的样品，原始低粗糙度的样品经辐照后的粗糙度被很大程度限制。 一5 一 强流脉冲离子束辐照d z 4 合金表面改性的研究 为了得到某个确定的粗糙度，脉冲的束流密度和脉冲所需次数成反比。对于原始高粗糙 度的样品，租糙后的表面形貌是熔坑和波状形貌，多次辐照平滑后的表面形貌是没有熔 坑的模糊或清晰的织构形貌；对于原始低粗糙度的样品，除了明显的织构外没有清晰的 熔坑隰矧。 v n p i m e n o v 等利用d p f ( d e n s ep l a s m af o c u s ) 设备产生的氢离子辐照后奥氏体钢 i o c r l 2 m n 2 0 w ，2 5 c r l 2 m n 2 0 w ，由于含碳量不同而造成的辐照后表面形貌不同，含0 1 c 的样品i o c r l 2 2 0 w 表面形貌主要是气泡，含0 2 5 c 的样品2 5 c r l 2 m n 2 0 w 表面形貌主要 是熔坑例。 关于熔坑的形成机理，到目前还没有公认的说法，大致有以下几种。 b p w o o d 等利用a n a c o n d a 设备产生的能量密度为2 j c m 2 的离子束辐照高纯多晶铜， 清晰熔坑的密度很高，而高纯单晶铜却不是这样。能量密度为5 j c m 2 的离子柬辐照在高 纯多晶铜上，明显的熔坑没有出现，被波纹状形貌所代替。低辐照次数时，单晶显示了 更少的破坏，而当次数增加时，两者的不同就减小了。由此得出，熔坑形成与基体材料 成分无关，晶粒结构影响熔坑形成陋】。 d j r e j 等利用a n a c o n d a 产生的离子束辐, , 照a i s i - 4 6 2 0 钢，认为熔坑可能由不纯物质 的选择加热形成，导致靶材表面的烧蚀或次表面气泡( 会导致表面破裂) 的形成。近来高 能电子束的研究支持这个推断，因为熔坑聚集成链，可能归因于杂质的烧蚀( 经常聚集 在晶界) 。而且，在多次辐照后，熔坑倾向于消失，在大约l o o 次后完全消失l 曲j 。 v n p i m e n o v 等利用d p f ( d e n s ep l a s m af o c u s ) 设备产生的用氢离子辐照高碳奥氏 体钢i o c r l 2 m n 2 0 w ，发现原始样品本来均匀的元素分布在3 次脉冲后重新分布，在坑的附 近，m n 的含量明显增加，f e 的含量明显减少，6 次后这种现象不明显了。注入的氢离子 产生了空位簇，该簇做为一个气相( 微孔) 的核，在接下来的加热中，m n 和轻元素的化合 物c o ，c 0 2 可能在这些微孔里集中，气泡形成和长大。在结晶和冷却后，这些气泡爆炸 形成熔坑或被留在固相。m n 和碳氧化合物浓缩在气泡的内表面上，这可能就是在气泡和 熔坑附近这些元素增加的原因f 矧。而且，在多次辐照后，熔坑倾向于消失，在大约1 0 0 次后完全消失。 乐小云等利用t e m p 辐照n i 3 舢合金，将熔坑形成的可能原因分为以下几种：在波 浪状的熔坑区域，在束流密度为1 5 0 a c m 时，s n 出现了，在更大的束流密度下，c 、s i 、 p b 等也出现了，这些元素并不是h i p i b 的组成元素，辐照束流密度越大，辐照后表面成 分越复杂，该种熔坑是由于离子源材料滴在辐照过程中碰撞到已熔化的基体表面上形成 的。一些熔坑是由于近表面空穴的坍塌形成的，在h i p i b c p 形成的高浓度空位不断聚 集成空位簇，空穴。由于晶界可能是空穴形成的地方或迁移的捷径，所以在h i p i b 辐照 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 后，多晶铜比单晶铜有更多的熔坑。当用2 0 0 a c m 2 的束流密度辐照时，表面产生的黑 点应该是由于h i p i b 弓 起材料烧蚀所产生的影响，这将导致新相的产生m2 s 】。而且在用 2 0 0 a c 寸的束流密度下，表面产生了微裂纹，这是m h i p i b 弓 起的高应力造成的1 2 9 】。 在朱小鹏用t e m p 辐照纯t i 的实验中，观察到了选择烧蚀，主要是因为原始样品表面 形貌的微观不一致性引起的，与辐照能量有关的局部蒸发和液滴溅射导致了选择烧蚀的 分布。因为纯钛中的杂质很少，所以杂质存在对烧蚀的影响可以忽略多次脉冲后，选 择烧蚀减小了，是因为辐照使表面的微凸逐渐消失，导致表面更均匀的烧蚀矧。 ( 2 ) 表面晶体结构 h i p i b 辐照材料表面产生的快速加热和冷却过程。极高的冷却速率导致非平衡结构 的形成，使材料表层出现晶粒的择优取向，纳米晶，非晶结构【切，以及新相。 h i r o s h ia k a m a t s u 等通过h i p i b 辐照( 离子能量1 6 0 k e y ，束流密度5 0 0 a c m 2 ，脉冲宽度 6 5 n s ) s e h 5 1 高速工具钢发现，样品表面原始平均晶粒尺寸为7 i l l ，辐照1 次后变成2 4 0 h m ， 辐照1 0 次后变成4 0 h m ，晶粒尺寸减少到原始材料的1 1 7 0 如 。 m y a t s u z u k a 使用i p d ( i n v e r s ep i n c hi o nd i o d e ) 装置产生由c “( 5 3 ) 和r ( 4 7 ) 构 成的h i p i b ( 离子能量为1 8 0 k e y ，束流密度为1 8 0 a c m 2 ，脉冲宽度为2 5 n s ) ，辐照n i 。c r 。5 p ，晶 合金后，导致在基底表面0 6 6 微米范围内产生非晶层，原因是表面的冷却速率大于n i 合 金形成非晶态的速率1 0 5 k s 3 l j 。 v n p i m e n o v 等利用d p f ( d e n s ep l a s m af o c u s ) 设备产生的氘离子辐照奥氏体钢 i o c r l 2 m n 2 0 w ，2 5 c r l 2 m n 2 0 w 后，表面面心立方转变成体心立方，随着脉冲次数的增加， 体心立方的含量增加，这可能和 l n 的优先蒸发有关。因为妇使奥氏体中的面心立方稳定， 所以它的选择蒸发导致面心立方的分解和融化表面结晶时体心立方的沉淀。铁索体钢 1 0 c r 9 w v 在多次辐照后没有相转变，但结晶织构沿着温度剃度方向p q 。 张洪涛等利用t e m p 辐照n b m ，未辐照试样的物相组成主要是r n i x e d 。而h i p i b 辐 照后试样表面的物相随束流密度的增加，呈现规律性的变化。以低束流密度辐照的试样 只出现了( 2 0 0 ) 和( 1 0 0 ) 2 个来自y 的衍射峰，且两峰强度相差极大，说明该试样表面出 现了y 的( 1 0 0 ) 择优取向。以中等束流密度辐照的试样，y 相的( 1 0 0 ) 择优取向依旧存 在。同时一部分y 相发生了非晶化的转变。而以高束流密度辐照的试样的表面除了含 有y 相外，还有新相产生1 3 2 】。x 射线能量色散谱仪( x e d s ) 的结果显示，合金的成分在辐 照后发生了改变，在1 5 0 a c m 2 的柬流密度下，枝晶上的a 1 明显增加，但平均值减小了。 相反的，m o 在枝晶上和枝晶间均增加了，所以表面的m o 平均值增加【拥。 通常，h i p i b 能在表面层产生应力区域，主要由于以下三个原因：快速加热使表面 原予蒸发产生的反冲脉冲；热应力；离子注入晶格产生的应力【3 2 】。所有这些因素在表面 一7 一 强流脉冲离子柬辐照d z 4 合金表面改性的研究 引起强烈的压缩波，导致晶粒的择优取向( 例如形交织构) 。大的冷却速率所形成的大的 过冷度使材料快速形核，而极短的冷却时闻又使晶粒来不及长大，形成纳米晶。不同材 料有各自的非晶化临界冷却速率，当材料的冷却速率达到或超过该值时，材料就成为非 晶了，而一定束流密度的离子束所产生的冷却速率可以达到该值。极高的温度使材料元 素重新分布，迅速的凝固使元素冻结在原处，新相就形成了。同样的原因，材料的固溶 度也可以大于平衡态的饱和固溶度。 ( 3 ) 硬度的改变 由于熔融液体的空位形成能远小于固体，因此在随后急速冷却凝固中表面保留了大 量空位，高浓度空位聚集崩塌可形成很多位错环，位错由原始材料中的随机分布转变成 辐照后复杂的缠结分布，加之空位等缺陷的不断偏聚，使位错滑移能力减弱。 a n v a l y a e v 等利用t o n u s 产生的h i p i b ( 7 0 t3 0 h + ) 辐照a - f e ，能量的瞬间沉积 率很高，它产生了一个热激波。而且，在辐照层的气体动态等离子体烧蚀引起一个反冲 脉冲。这两个因素产生了一个强烈的压缩波。在某种条件下，这个波转变为冲击波。最 初几个g p a 的冲击波传播到没有被辐照的区域，在冲击波梯度最大的某个深度，波前被 形成。冲击波前的宽度大约1 1 0 微米。冲击波的影响不同于机械张力波的影响，因为 脉冲从激发的原子传播到未激发的原子，是一个个体的影响，而不是一个联合的影响。 这样就解释了以下的影响：缺陷形成阈值比起那些常规条件下的有很大降低，缺陷，杂 质，涨落的影响增加了。辐照引起的主要的点缺陷在金属中是间隙和空位，间隙展示了 比空位更大的移动性。硬度的增加归因子冲击波前产生的大量缺陷和位错，以及位错间 的间隙。结果是位错的移动性降低，材料的延展性降低，因此增加了硬度【3 3 】。 a d p o g r e b n j a k 等也利用t o n u s 装置辐照金属表面，当束流密度j 9 0 a c m 2 时，在样 品中出现了两个显微硬度的极大值，第一个出现在近表面区域，其值为h 。，第二个硬度 极大值心= ( 0 6 o 8 ) h l 出现在( 4 01 0 0 ) r 。的地方，其中r 。为离子束的入射深度( 约为1u m ) 。将辐照前后的铅样品放置在氢气中，氢的饱和度n 。在压应力区域( 因为高的间隙离子 浓度) 很低，在张应力区域很高( 因为高的空位浓度) 。分析样品的截面，对于未辐照的 样品，氢浓度一致，对于辐照的，氢浓度有最大及最小值。我们发现了三种特征：显微 硬度；饱和氢浓度；f 参数( 空位缺陷浓度) 随深度变化的相关性。因此可以得出结论， 由于在冲击波区域中点缺陷( 间隙和空位) 和线缺陷( 位错) 的产生和相互作用，产生了局 部形变状态，导致硬度有相应的改变【1 8 i 。 y u p s h a r k e e v 等利用c 和h 各5 0 的离子束辐照旷f e ，柬流6 0 a c m 2 ，辐照1 次 时，位错结构很一致，2 0 0 a c m 2 ，辐照5 次时，位错交得混乱了，h i p i b 形成的位错和 塑性变形形成的位错很相似。测量了位错密度随深度的变化，显示有两个极大值，第一 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 个出现在近表面，是由于融化，蒸发升华时在近表层产生的热应力产生的。第二个极大 值范围更广，大约在表面1 0 0 微米处，对应的区域为热激波形成区l 州。 d j r e j 等利用a n a c o n d a 辐照a i s i 一4 6 2 0 ，能量密度5j c m 2 处理1 0 次后，努氏硬 度达到1 4 倍。硬度的加大被认为是晶粒细化( x r d 结果可推断) 和位错形成的结果。当 氮离子束处理奥氏体钢时，处理前的抛光会产生马氏体，压力引入的马氏体可以提高未 处理样品的硬度，第一次脉冲使近表面熔化，使马氏体溶解，发生奥氏体转变，降低了 硬度，由于氮的含量太低，不能影响硬度。以后的脉冲促使氮含量的增加，由于固溶机 制，硬度增加陋j 。 t y a m a s a k i 等用成分为质子的h i p i b ( 离子能量为1 8 0 k e y ，束流密度为4 6 0 a c m 2 ， 脉宽为6 5 n s ，能流为5 j c m 2 ) 辐照a 1 3 0 s i 。经过辐照后，表面的小的共晶硅晶体被分 散了，而大的硅晶体的边界模糊了。x r d 的结果显示，辐照后a 1 的峰向高角移动，说明 硅固溶到了铝晶格中，固溶度从平衡态的1 5 9 增加到5 0 次辐照后的5 7 ，导致样品表 面的硬度增加到辐照前的2 倍1 3 ”。 h i p i b 与金属材料相互作用的细晶强化、加工硬化和相变强化等机制并不是单独存 在，而是协同发生。 ( 4 ) 耐磨性能的改善 h i p i b 辐照材料表面会在表面上产生熔坑或微裂纹，使表面变粗糙，这极大的影响 了材料的耐磨性能。 用t e m p 处理w c ( 5 8 的c o 粘结剂) ，通过一系列脉冲可以得到未粗糙化的表面。先 用能量密度为0 4 j c m 2 的单个脉冲，是为了预清洁表面，然后用能量密度为0 9 j c m 2 的 几个脉冲，是为了快速熔化和凝固，最后用能量密度为0 4 j c m 2 的几个脉冲，是为了使 处理表面平滑。改善的耐磨损性能被认为是由于在近表面增加了w 在c o 中的固溶度。 t 1 4 k 8 合金( w c 包括1 4 t i c 和8 c o ) 的x r d 和s e m 分析指出处理形成了一些区域，这些区域 包含了2 0 3 0 纳米的c 0 3 t i 纳米颗粒，改善了耐磨性能h 。 j p i e k o s z e w s k i 等利用r p i 的p d e 模式沉积金属膜，虽然沉积膜的表面对于原始样 品显示出减小的表面硬度和增加的摩擦系数，但是相对于原始样品它却没有磨损，可能 由于以下原因：在陶瓷表面形成的一层保持表面在压应力下，防止裂纹的扩展；沉积的 金属以及在高温伴随的粘结相可以治愈先前存在的裂纹，并且防止它们的扩展。当然， 近表面硬度的提高也有助于耐磨性能的改善 3 6 1 。 赵渭江等利用t e m p 和m u k 辐照4 5 # 钢( f e9 8 6 3 ，c 0 4 5 ，s i0 2 6 ，m n0 6 5 ) ， 对比直流离子注入的结果，发现高剂量( 5 x 1 0 1 7 c 确直流c ”注入和高能量密度( 2 5 x 1 0 7 w c m ) 低剂量( 1 5 x1 0 v c m ) i p i b 脉冲都可以提高材料的表面的耐磨性和显微硬度。 强流脉冲离子柬辐照d z 4 合金表面改性的研究 但只有高剂量c “+ 注入可以有效减小材料表面的摩擦系数，而低剂量的h i p i b 却不能，可 能是因为摩擦系数的提高主要是因为c + 的积累，形成了碳化物和碳沉淀f 1 2 l 。 梅显秀等利用t e m p 辐照w 6 m o s c r 4 v 2 高速钢( h s s ) ，束流密度8 0 a c m 2 ，辐照1 ，3 ，5 次。辐照后h s s 近表面层的马氏体转变为奥氏体，并且产生了残余应力在表面2 “m 的 范围内晶粒细化。在冲击波的影响下，表面的位错重新分布，相互交织。随着辐照次数 的增加，碳化物m 6 c 在近表面逐渐固溶，产生了纳米晶m c 。h i p i b 辐照过程导致材料表面 马氏体成分的减少，奥氏体成分的增加，以及碳化物的弥散分布。由于非平衡的纳米晶 的形成，残余应力的出现，重新分布的位错，导致h s s 的耐磨性改善t 3 7 。 ( 5 ) 抗高温氧化性能的改善 张洪涛等利用t e m p 产生的h i p i b ( 7 0 g3 0 9 6 h + ) 辐照i c 6 合金。图1 3 为h i p i b 辐照前 后i c 6 合金样品1 1 0 0 c 空气中氧化1 0 0 h 的氧化动力学曲线。从图1 3 中可以看到，所有样 品都具有相同的趋势，分为三个阶段，首先，质量迅速增加，然后质量开始减小，最后 质量缓慢增加。和纯n i & a i 合金的抛物线等温氧化行为不同，i c 6 合金复杂的氧化曲线是 由于m o 的存在，因为m o o 。易挥发，导致第二阶段质量减小。与未辐照的样品比较，h i p i b 辐照在表面产生的大量缺陷和非晶结构在测试温度下会再结晶成细小的晶粒，不论是缺 陷还是细小晶粒的大量晶界都降低了氧化和原子迁移的阻力。能量密度为2 5 和 3 7 5 m w c m 2 的h i p i b 辐照样品后，氧化后包括两层，外边的富钼及富铝氧化层，里边的氧 化铝层。正是因为从未辐照样品的三层氧化层结构( 外层n i o ，中间n i a i 舢，里边a l 。0 3 ) 羔0 5 0 o o 2 04 0 6 08 01 0 0 e x p o s u r ct i m e ( b ) 图1 3h i p i b 辐照前后i c 6 台金样品在1 1 0 0 空气中氧化l o o h 的氧化动力学曲线 f i g 1 3 m a s sc h a n g eo ft h eu n t r e a t e da n di r r a d i a t e di c 6s a m p i e sd u r i n gi s o t h e r m a lo x i d a t i o na t 1 1 0 0 缸a i r f o r l 0 0 h 大连理工大学硕士学位论文 转变成辐照样品的两层结构，样品的抗氧化性提高了。然而，当能量密度达到5 0 姗c m z 时，材料的抗氧化性甚至低于未辐照样品的水平p 珂。 ( 6 ) 抗腐蚀性能的改善 材料的抗腐蚀性能与