（凝聚态物理专业论文）强流脉冲电子束材料改性三维数值模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本论文以3 1 6l 不锈钢、热障涂层和铁基体表面粘涂铝粉后形成的双层材料为改 性材料，讨论了强流脉冲电子束对材料的热效应作用规律。 建立了柱坐标系下的三维温度场模型。沿电子束入射方向，给出了重熔层深度( 1 2k t m ) ，温度梯度( 约1 0 8 k m ) ，升、降温速率( 1 0 8 1 0 9k s ) 等模拟结果。随后的 实验结果表明：重熔层厚度与模拟结果吻合；极高的温度梯度使材料表层出现强烈的塑 性变形，甚至诱发出微裂纹；快速的升、降温速率使表层发生晶粒细化现象；垂直于电 子束方向上，由于脉冲电子束束斑能量具有高斯分布形式，对材料表面的径向改性并不 均匀。 进一步发展了冲击热应力模型。当强流脉冲电子束轰击靶材时，材料亚表层能量沉 积最大，亚表层附近亚稳态第二相( 或第二相晶界附近) 首先熔化；迅速膨胀的液滴不 断向周围挤压，使底部产生塑性挤压变形；随后表层受到迅速膨胀液滴的挤压，很快失 去抵抗力；液滴瞬间突破表层，喷发出去；同时，熔坑底部得到一个瞬间反冲力，使得 熔坑底部被急速挤压，形成了冲击热应力，实现材料的深层改性。 关键词：强流脉冲电子束；数值模拟；温度场；冲击热应力；熔坑 强流脉冲电子束材料改性三维数值模拟 t h r e ed i m e n s i o nn 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 sm o d i f i c a t i o nb yh i g h c u r r e n tp u l s e de l e c t r o nb e a r n a b s t r a c t b a s e do nt h em o d i f i c a f i o nm a t e r i a l s ：3 1 6ls t a i n l e s ss t e e l t h e r m a lb a r t i e rc o a t i n g s ( t b c s ) ，a n df eb a s e d 伽c o a t i n g ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u so nt h et h e r m a le f f e c to ft h es u r f a c e m o d f f i c a t i o nb yh 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 h ea x i a ls y m m e t r i ct h r e e d i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ef i e l dm o d e li sp u tf o r w a r d i nt h e d i r e c t i o no fh c p e b ，s o m er e l a t i v er e s u l t sa r eo b t a i n e d ：t h em e l tl a y e r ( 1 一珈m ) j ，i t sq u i t e a c c o r d a n tt ot h ee x p e r i m e n t so b s e r v a t i o n ；t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ti sa b o u t1 0 6k 缸近也e h e a ta f f e c t e dz o n e ，m a k e st h es u r f a c eo ft h em o d i f i c a t i o nm a t e r i a ls os t r i c t l yp l a s t i c d e f o r m i n g ，e v e ns o m em i c r o c r a c k sa r ef o u n d ；n eh e a t i n g c o o l i n gr a t ei sa b o u t1 映二t l 耻， i ss or a p i dt h a tg r a i nr e f m e m e n tp h e n o m e n o ni sf o u n dn e a rt h es u r f a c eo ft h em o c l j 五c a t i o n m a t e r i a l i nr a d i a ld i r e c t i o n t h es u r f a c em o d i f i c a t i o ni sn o tu n i f o r mb e c a u s eo fl t h e ：g a u s s d i s t r i b u t i o no ft h es e c t i o n a le l e c t r o ne n e r g y n es h o c kt h e r m a ls t r e s si sg e n e r a t e dw h i l et h ec a t e rb e i n gf o r m e d n ee n e r g yd e p o s i t i o n h a st h em a x i m u mv a l u ea tt h es u b 1 a y e r ，s ot h em e t a s t a b l es e c o n dp h a s e ( o r , ：t h e ，g r a i n b o u n d a r yn e a rt h es e c o n dp h a s e ) w i l lm e l tf i r s t l y n eg r a d u a le x p a n d i n gd r o pe x t r u d e st h e b o t t o mo ft h ec a t e r ；t h eb o t t o mo ft h ec a t e rg e t sat r a n s i e n tj e tp o w e ri nt h ed e p t hd i r e c t i o n ，a s t h em e l t i n gd r o pi se x p u l s e df r o mt h es u b l a y e r ，s ot h et r a n s i e n ts h o c ks t r e s si sg e n e r a t e d n e t h e r m a ls h o c ks t r e s si st h em a i nr e a s o no ft h ed e e pm o d i f i c a t i o n k e yw o r d s ：h i 曲c u r r e n tp u l s e d e l e c t r o n t e m p e r a t u r ef i e l d s ；t h et h e r m a ls h o c ks t r e s s ； b e a m ( h c p e b ) ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； c r a t e r s i i 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竹研究工 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：日期： 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 论文版权使用规定丹，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：鬈越坠 导师签名塞逸 一导师签名：盔隘一 坦鏖年一月一日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1电子束概述 电子束加工技术是人们根据不同需要，利用载能电子束对材料表层进行处理的工艺 技术。其原理是：在压强为1 0 4 1 c r 6 t o n ( 1 0 - 21 0 习p a ) 的高真空条件下，利用电流加 热阴极产生电子束流，经加速，电子透镜聚焦，形成高速，高能流密度( 1 0 6 1 矿w e r a z ) 的电子束流，轰击到工件表面。电子束在极短时间内将自身动能大部分转化为热能沉积 到工件表层，进而使材料产生局部熔化、汽化，蒸发等物理化学变化，达到改性目的。 电子束加工最初实验开始于1 9 3 8 年，德国吕雷( r u e h l e ) 制成用电子束来熔解和 汽化的装置。鲁斯卡( r u s k a ) 和阿登诺( a r d e n n e ) 用电子显微镜在硝棉硅膜上打孔。 西德卡尔蔡司施泰格瓦尔德在研制电子显微镜用的电子枪中制成电子密度极高的电子 枪，与1 9 5 0 年试验成功用5 0k v ，几毫安的电子束来焊接金属；1 9 5 7 年斯托尔( j 八s t o h r ) 完成了铀和钼的焊接。这些供原子能使用的金属用一般焊接无法完成，因此极大促进了 电子束焊接法的发展。卡尔蔡司公司倾向与利用电子束作精密加工机，而美国的汉弥登 标准( h a m i t o ns t a n d a r d ) 公司和法国的西阿基( s i a k y ) 公司主要制造电子束焊接机。 从创立电子显微镜初期，人们就注意到强电子束辐照材料后会发生熔化、蒸发、汽 化等情况，于是设法避免这一不良因素，或使加速电压上升，或使电子束能量减弱，这 样却利用了电子束能量的改变，制出了电子束熔炉，电子束加工机，电子束焊接机，电 子束汽化机等。6 0 年代初，电子束开始在打孔、铣切、焊接等实现工业化应用i l - 2 1 。 上世纪7 0 年代，电子束、激光束、离子束技术进入实用化阶段，并进入材料界面 加工技术领域，使表面技术取得了突破性的进展。电子束是一种高能量密度热源，最大 功率密度可达1 0 9w e r a 2 ，在极短时间内可使金属表面加热甚至熔化，加热、冷却速度 可达1 0 3 。1 0 6k s ，这能够：( 1 ) 形成电子束表面改性技术，可进行金属表面固态相变 ( 淬火) 3 - 5 1 ，也可进行表面熔凝、表面熔覆 6 - s ，表面合金化 9 , 1 0 ，从而显著提高了材料 表面的耐磨性、耐蚀性，耐高温氧化性能等。( 2 ) 形成更为先进的表面改性技术：蒸 发物理气相沉积( e p v d ) ，也称镀，早先依靠电阻丝加热蒸发源，仅能熔化、蒸发 、z n 、c d 等较低熔点的金属，也就可能沉积这些较低熔点的金属膜层，可一旦采用 电子束作为加热蒸发热源时，蒸镀便发生了重大的突破，它的高能量几乎可以熔化所有 材料，物理气相沉积出现了一个新的局面。 在表面改性过程，尤其是半导体刻蚀过程中，连续电子束会引起刻蚀区性质的改变， 这是我们不希望看到的。进入8 0 年代后，强流，脉冲式电子束装置应运而生，并逐步 强流脉冲电子束材料改性三维数值模拟 应用于金属、绝缘体以及高聚物的改性研究。俄罗斯、德国、美国和日本在这方面开展 的工作较早【1 1 1 引。俄罗斯p r o s k u r o v s k y 等人利用脉冲电子束技术对中碳钢、不锈钢以及 一些硬质合金进行了探索【1 9 】，显示了强流脉冲式电子束的独特优越性。 我国自上世纪6 0 年代开展电子束的研究工作，到8 0 年代，在电子束表面改性方面 的研究迅速展开，并相继进入实用化阶段【玷1 1 。1 9 9 5 年大连理工大学从俄罗斯引进一台 t o m s k 强电研究所的强流、脉冲电子束( h c p e b ) 设备，并致力于h c p e b 的基础理论 与工业应用的相关研究【2 1 - 2 5 1 。 有人曾预测，2 1 世纪表面工程将全面进入各行各业工程与产品的设计与制造之中， 发挥其特有的功能作用，作为表面改性手段之一的电子束表面改性的前景会更加美好。 1 2 强流脉冲电子束改性特点 h c p e b 具有低能( 1 6j c m 2 ) 、强流( 1 0k a ) 、短脉冲( 3 6 网) 等特点。作 为一种新兴的表面改性技术，它有自己独特的优势： 1 2 1 与连续型电子束相比 如图1 1 ，对于连续型电子束，能量供给连续，会在靶材辐照区域迅速产生能量累 积，使表层物质迅速熔化、甚至汽化，从而在辐照物质表层形成等离子体壳层。富含电 子的等离子体壳层一方面使随后入射的电子束散射严重，降低了有效利用率；另一方面 随着辐照时间增加，加工变质层会迅速扩大。 强流脉冲电子束技术克服了上述缺陷。在极短的辐照时间内，h c p e b 将能量迅速 沉积到材料表层，脉冲结束瞬间，温度迅速降低，保证了加工变质层减少；由于作用时 间极短，从而大大提高了电子束的利用效率。 辔垡墨臀 觚矗赫职f曳矗层增大 望 一望二： 1 ) 连壤输出( b ) 欺冲t 出 图1 1电子束表面改性原理示意图：( a ) 连续型，( b ) 脉冲型电子束 f i g 1 1 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ft h es u r f a c em o d i f i c a t i o np r o c e s s e sw i t h ( a ) c o n t i n u o u sa n d ( b ) p u l s e de l e c t r o nb e a m 几liic匕f 聃 几厂硼虹 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 与其他粒子束比较 电子束，离子束和激光束是现代表面改性技术常用手段，相同点都是利用载能束的 性质将能量沉积到改性材料表层，通过热冲击等方式达到改性目的1 2 6 - 3 。在实际运用中 又有各自特征，如表1 1 ：离子束辐照到靶材表面，形成等离子体区，阻止了后续离子 与靶材的相互作用而产生溅射效应；激光束虽克服了上述不足，但照射到靶材表面时会 引起强烈的反射效应；离子束与激光束由于存在强烈的溅射和反射，有效沉积能量非常 低，只能与表层物质发生作用( n m 量级) ；电子束由于自身质量极小，所以穿透深度 达几个“m ；由于大部分能量已沉积到表层内部，所以电子束有效利用率最大( 约9 0 ) 。 根据它们各自不同的特点，人们分别把它们应用到不同的表面改性领域p 2 。 表1 1 三种粒子柬比较 t a l b e1 1 c o m p a r i s o no fi o n ，l a s e ra n de l e c t r o nb e a m 粒子束种类离子束激光束电子束 注入效应( 离子能量 5 0 5 0 0 k e v )发射效应 主要效应 注入效应 溅射效应( 离子能量 热效应 0 1 5 k e v ) 作用深度 1 m衄量级1 1 0 让m 有效利用率较低 一1 0 9 0 刻蚀、镀膜、注入、焊接、切割、合金化、熔炼、焊接、舍金化、 工业应用 表面改性表面改性表面改性 1 2 3 与传统工艺比较 电子束作为一种新兴表面改性手段，与传统工艺相比，优势明显【3 3 - 3 5 1 ： 1 清洁：电子束工艺从入射源引出的粒子均为电子，且绝大部分被辐照靶材吸收， 仅有少量二次电子反射回来，不会给环境造成污染。 2 可控性强：电子束能量，入射时间等工艺参数，可根据要求进行调节。 3 有效利用率高：从表1 1 可以看出电子束的有效利用率最高。 4 表面处理工艺较好：电子束有效作用较深，对材料的改性效果非常明显。 1 3h c p e b 研究现状 电子束的理论研究和实践应用相互促进，共同发展。现今的观测手段无法直观了解 h c p e b 与材料的相互作用的演化过程，只能建立合理模型，然后用探索性实验加以验 强流脉冲电子束材料改性三维数值模拟 证。目前只有美国、德国、俄罗斯等单位开展了相关研究工作闭，远没有真正进入工业 化应用。 上世纪4 0 年代，人们在研制电子显微镜初期就开始探究电子束与材料的相互作用 机理，并开展了卓有成效的实验与理论研究【3 7 - 3 9 1 。一方面，人们试图增大电子束能量， 减小作用时间来控制作用区域的变质层，另一方面，人们对电子束与材料的相互作用机 制进行了研究。 h c p e b 与材料的相互作用，起主导作用的是电子束在靶材中的射程分布，以及能 量沉积分布规律。上世纪7 0 年代，b e r g e r ，s h i m i z u 和h e i n r i c h 等人采用了m o n t ec a r l o r 方法对单电子在材料中的运动轨迹进行了模拟。在此基础上，为了获得多电子与材料相 互作用特征，模拟了多电子体系在材料中的统计分布规律，如图1 2 ：电子在材料中的 统计分布规律与入射电子束的能量、入射角度、材料的性质和厚度有关，这为h c p e b 的相关理论和实验研究工作提供了指导。 i 0 5 p m 1 l 乙噜 i l b - _ _ - - - _ - 0 5 p m 潲鬃氡厂 图1 2电子束在铁中作用区m o n t ec a r l o r 电子轨迹模拟图，e o = 2 0k e v ，垂直入射 ( a ) 随机变化的5 个电子轨迹图，( b ) 1 0 0 条电子轨迹图 h g 1 2 p a t h sa n di n t e r a c t i o nz o n e so fe l e c t r o n sw h e ni n t e r a c t i n gw i t hi o nt a r g e ts i m u l a t e db yt h em e t h o d o fm o n t ec a r l o r ，e o = 2 0k e v ，v e r t i c a li n c i d e n c e ： ( a ) t r a c k so ff i v er a n d o m l yv a r i e de l e c t r o n s ，c o ) t r a c k so f 1 0 0r a n d o m l y v a r i e de l e c t r o n s 1 9 9 7 年m a r k o v 等人建立了强流脉冲电子束轰击金属过程中的温度场模型，较好揭 示了熔化层，改性层深度等重要信息【柏】；1 9 9 8 年，p r o s k u r o v s k y 等人发展了m a r k o v 模 型，对h c p e b 轰击过程中的温度场及应力场进行了探索性研列3 7 1 ，如图1 3 所示：材 料表层升降温速率达1 0 8 1 0 9 k s ，凝固时结晶速率达到2 5m s ，热应力波幅值约0 1 m p a ，认为材料深层改性是热应力波影响的结果。 大连理工大学硕士学位论文 - j - ( 矗)( ” 图1 3 脉冲电子束处理过程中的温度场，应力场分布模拟结果 ( a ) 铜铝、铁层深度最高加热温度，( b ) 铁靶中不同时刻应力场分布 f i g 1 3 s 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 t r e s sw a v e ( b ) d i s t r i b u t i o ni nt h et a r g e t sb o m b a r d e db y p u l s e de l e c t r o nb e a m 乌克兰p o g r e b n i a k 等人通过对h c p e b 表面合金化的研究，探讨了h c p e b 对材料 结构的影响。他们采用电子束蒸镀金属薄膜，利用h c p e b 后处理工艺在铁表面实现了 钽、钼、铬等金属的合金化【4 h 3 1 ，改性材料的耐磨性，耐腐蚀性能显著提高；他们通过 对h c p e b 轰击纯铁后表层熔坑分析，认为电子束轰击过程中，大量非平衡空位移向表 面，亚表层局域密度降低，是形成熔坑的根源削。 大连理工大学三束材料改性国家重点实验室近年来开展h c p e b 的理论与实验研究 工作。郝胜智博士以纯铝为基础材料，深入研究了不同条件下束源对材料显微结构和力 学性能的影响j 发现靶材经h c p e b 作用后，抗腐蚀性、硬度、抗磨损性能得到显著改 善【4 5 舶j ：值得重视的是，对t i 离子轰击轴承钢后进行h c p e b 轰击后，t i 离子已扩展到 距离表面微米量级范围内，显示了增强扩散效应【4 7 , 4 8 1 。吴爱民博士以h 1 3 钢和d 2 钢( 模 具钢) 为改性材料，研究了利用h c p e b 淬火和合金化特性来实现材料改性1 4 1 】：处理后 模具钢表层硬度，耐磨性，抗微动磨损性能得到提高，在对纯铝表层渗碳的研究中还发 现碳粉有向类金刚石结构转变迹象。邹建新博士采用电弧镀铝后h c p e b 处理h 1 3 钢和 2 0 钢表层实现快速合金化，其抗氧化性能也得到显著改善【5 2 , 5 3 】。邹建新在郝胜智博士关 于温度场，应力场物理模型基础上提出了增强扩散模型瞰筇】，并解释了一些相关实验现 象。秦颖博士主要从事对h c p e b 材料表面改性的物理过程及主要机制的数值模拟工作。 解释了熔坑喷发、深层改性、塑性变形等重要实验现象1 5 引。刘晓娜在硕士学位论文期 间以纯铝为改性材料，对h c p e b 作用下的二维温度场，弹性范围内的应力场模型进行 了尝试研究【5 9 1 。 强流脉冲电子束材料改性三维数值模拟 1 4 论文的研究内容 本论文从以下几方面开展工作： 1 4 1 相关模型处理 给出了含内热源的柱坐标系下的三维温度场模型；给出了电子束沿辐照方向和垂直 于辐照方向上的能量沉积分布函数；对熔化或汽化过程，采用温度补偿的方法进行处理。 1 4 2 温度场模拟 通过温度场的数值模拟，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、熔化层深度、升降温速率和温度梯度等重要 参数，解释了材料表层径向改性区分布特点。 1 4 3 冲击热应力产生机制 根据熔坑形成机制，给出了冲击热应力产生机制，并通过纳米压痕实验，验证了冲 击热应力的存在。 大连理工大学硕士学位论文 2h c p e b 改性过程的物理机制 电子与固体物质相互作用，实质上就是能量的传递和转换。能量的转换和传递导致 了入射电子自身状态改变，以及材料结构、状态的变化，和由入射电子诱导的其他物理、 化学变化等。 入射电子束高速碰撞固体表层原子发生弹性碰撞，被直接反弹出去，成为背散射电 子；能量较低时，入射电子将自身携带的能量转移给原子核外层电子，激发出具有较低 能量的二次电子；能量较高时，入射电子与原子核内层电子发生非弹性碰撞，激发出俄 歇电子、放出特征x 射线等。最终电子束将大部分能量转移到靶材表层，引起一系列物 理化学变化【删。 2 1 电子束与物质的相互作用 2 1 1电子束与物质的相互作用 电子束与材料相互作用包括电子的散射，吸收，发射，衍射，并伴有x 射线的产生 掣6 2 1 ，如图2 1 所示： v ：一 ： 低能非弹性碰撞 、x ： ： 高能非弹性碰撞 图2 1电子束与靶材原子作用示意图 f i g 2 1 i n t e r a c t i o nb e t w e e ni n c i d e n t e l e c t r o na n dt h et a r g e ta t o m s 电子束以一定能量、一定方向入射到绝缘体或半导体材料表面时，因材料导热系数 小，会在材料表面形成导流子，或因电子直接与表层原子核外电子发生弹性碰撞被反射 回去，成为背散射电子。背散射电子能量与入射电子相当。对于高能电子束，可利用从 样品表层0 1 1 m 范围内反射的背散射电子制成背散射电子衍射仪( e b s d ) ，来获 得样品的表面形貌和原子序数的分布等信息。 撞x 强流脉冲电子束材料改性三维数值模拟 少数电子进入材料表层后，不断与表层原子的核外电子发生弹性，非弹性碰撞1 6 2 邡】， 自身大部分能量转移给碰撞原子后，碰撞原子的外层电子受到激发，脱离出样品表面， 成为二次电子。二次电子能量很低( 通常小于5 0e v ) ，扫描电镜( s e m ) 就是利用上 述原理，获取样品表面信息。 当入射电子能量较高时，可轰击到样品表层原子的内层电子。若样品原子的原子序 数较低，以发射俄歇( a u g e r ) 电子为主，利用俄歇电子技术可制作俄歇电子能谱仪 ( a e s ) 。反之，以发射x 射线为主。x 射线又分为特征x 射线和连续x 射线，前者 为特征辐射，它是由于内层电子受激跃迁，产生了俄歇电子，用于制作x 射线波谱仪 ( w d s ) 和电子探针x 射线显微分析仪( 简称电子探针，除具有扫描电镜结构的形貌 探测功能外，以成分分析功能为主) 。a e s 和w d s 均可作为样品成分分析手段；后者 为韧致辐射，它是由于入射电子束受靶材原子或原子核屏蔽，速度降低，从而激发出光 子，即为连续x 射线，它主要用于制作x 射线管而主要应用在医学领域。 电子束表面改性技术，主要利用了电子束的加热效应，其他形式的能量转换被视为 电子束能量的损耗。下面针对几种损耗过程加以讨论。 背散射是影响电子束加热的主要因素，背散射电子能量大于5 0e v 。背散射程度用 背散射系数来描述，即背散射电子数目与入射电子数目之比，根据b i s o p 和h e i n r i c h 的 测定【硎，背散射系数可以表示为： ，7 。0 5 0 2 2 8 x 1 0 4 ( 8 0 一z ) d 8 0 z 1 ) 1 3 ( 2 1 ) 背散射系数不仅与辐照材料的原子系数有关，还与入射能量相关，下图为b i s h o p 测得的几种元素的背散射电子微分能量分布曲线【6 5 】，可见随着原子序数的增大，背散射 电子能量更接近于入射电子能量。 0 4 o o 3 、0 2 厶 0 1 o j 一一 一一 。 a ic r c oc un b t a s it if en iz r m os nfwp tb i 图2 2当电子束垂直入射到基材表面时，背散射功率与入射电子功率之比和原子序数间的关系： p r ：背散射功率，p o ：入射功率，z ：原子序数 f i g 2 2 r a t i oo ft h eb a c ks c a t t e r i n gp o w e ra n dt h ei n c i d e n te l e c t r o np o w e r ，p r p o , a saf u n c t i o no f a t o m i cn u m b e rz w h e nt h ee l e c t r o nb e a me n t e r e dt h es u r f a c eo ft h em a t e r i a l sv e r t i c a l l y p r ，b a c ks c a t t e n 。n g p o w e r ，p 0 , i n c i d e n tp o w e r ，z ，a t o m i cn u m b e r 大连理工大学硕士学位论文 对于钼和钨等重金属，其背散射率高达5 0 ，而对于常用金属，其背散射系数较 低。另外当入射角较小时，背散射系数也会迅速减小。 x 射线辐照包括特征x 射线和连续x 射线两部分，总强度取决与电子束能量和基 材的原子序数，其经验公式为【6 0 6 2 】： 仉- 1 0 一u z ( 2 2 ) 其中【，是电子束加速电压，单位：伏特：对于电子束能量而言，x 射线引起的能量 损失仅为1 左右，但为了实验及生产需要，必要的屏蔽可将x 射线辐照剂量较少到 安全级别。实验发现，电子束加速电压为6 0k e v 以下，工作室及电子枪厚壁完全可将 辐照的x 射线屏蔽掉。 二次电子和热电子是电子束与靶材相互作用时产生的，它们能量很低( 几个电子伏 特) ，且对于一般材料而言，它很难在材料表层形成电荷累积，对后来的入射电子影响 较小，利用电子束热效应时，很少考虑二次电子和热电子的影响。 综上所述，入射电子束能量主要损失为背散射电子和二次电子所携带的能量，约占 总电子束能量的百分之几，其余9 0 以上转化为热能，因此电子束材料改性是一种高 效率的改性手段。 2 1 2h c p e b 在材料中的能量沉积分布 电子束进入靶材时，散射角较小，通过路径比较直。随着电子的进入，能量损失增 大，此时物质的吸收截面增大【鲫，这更有利于电子的级联碰撞，所以电子运动轨迹迅速 发散。我们定义电子射程为电子在固体中的最大穿行距离。s u b b a | 6 7 1 在理论分析与实验 数据基础上导出电子实际射程关系式： ，2 1 1 0 - 1 2 型，u 1 0 k v ，1 0 0 k v l ( 2 3 ) p 。 式中汐为电子束脉冲电压，p 为入射电子束能量。 入射电子束在材料中能量沉积由电子束初始入射角，入射电子与靶材原子的非弹性 碰撞，二次电子及背散射电子产额决赳硝1 。对于本论文所涉及到的电子束为低能电子柬， 可近似认为电子束在某位置处能量沉积即为电子束在该处的能量损失。单位体积材料在 单位时间内吸收的能量w ( z ，- ，t ) 6 9 , 3 6 ： d ，。、 w ( z ，r ，f ) - 玑掣正( z ，) ( ，) ( 2 4 ) 强流脉冲电子束材料改性三维数值模拟 r 。为材料对h c p e b 的能量吸收系数( 铝材为0 8 ，铜为0 7 ) ；p ( f ) 是入射电子束 功率密度，s 为电子束有效束斑面积( 根据实测取3 0a c m 2 ) ，为电子在靶材中的射 程分布函数( 2 3 ) ；正为单位体积材料对入射电子束沿入射方向的能量吸收分布函数， 其表达式为【3 6 j ： l = i - 躬- 了1 ) 所以j 7 ( 2 5 ) 图2 3 ( a ) 为尢随深度分布图。正在电子束射程的三分之一处有极大值，即电子束 能量在材料亚表层有最大沉积分布。 图2 3 ( b ) 为单位体积材料对入射电子束沿与束斑垂直方向上的能量吸收分布函数 厂( r ) 。根据对电子束截面能量分布大量的观测结果及电子束辐照靶板时的烧蚀破坏情况 分析，( ，) 一般呈高斯分布【7 0 】： 厂( ，) = ex p ，- 厂2 ( 2 2 ) ，厂sr o ( 2 6 ) ，是与电子束与材料相互作用有关常数。z ，为沿电子束辐照方向和垂直与 电子束辐照方向的坐标变量。取试样表面电子束辐照中心为坐标原点。 o 0 o j 0 4 o j 0 0 图2 3 f i g 2 3 i 二主二j 二二二二二主刘牛二j 二二# 二e j 2 2 温度场和应力场模型 2 2 1温度场和应力场的形成 入射电子束与靶材的相互作用，在瞬间完成( 约几个s ) ，所以电子束加热过程可 认为是绝热过程，可忽略材料在加热过程中的热辐射效应。考虑到电子束在靶材中的能 大连理工大学硕士学位论文 量沉积分布特征，可以利用热传导理论求解电子束的辐照过程：一方面，根据热传导理 论，电子束的辐照可视为热源，热量的瞬间累积在材料表层形成较大温度梯度，这样就 为温度场的形成创造了条件。电子束能量足够大时，热量的累积可使材料表层迅速熔化， 甚至汽化，随后快速的降温，可能使材料表层出现晶粒细化，对于导热率较低的材料表 面甚至出现裂纹；另一方面，电子束加热又有自己独特的性质，如形成熔坑【6 9 】等。 材料经历较大温度差，在垂直于电子束的材料表层，受到的热胀冷缩来不及释放， 在材料表层形成较大的热应力分布，这是“准静态热应力 ；在沿着电子束入射方向， 形成热弹性应力波。另外，熔坑喷发的特殊作用，会在熔坑底部形成冲击热应力。 2 2 2 温度场模型 电子质量很小，改性过程中主要发生热量的传递，根据热传导理论，对于满足条件 的柱形材料，温度场演化可通过柱坐标系下的热传导方程描述【3 6 , 7 0 , 7 1 】： p c ( f ) 詈= 去( r ( z ) 誓) + 吾軎( r ( z ) ，等) + ( v f ) + k ( 2 7 ) 初始条件为： z ( 石，d ) - 乙 ( 2 8 ) 边界条件为： 一r ( r ) 旦三羔主 二尘l ：。o ，t ( l , r , t ) ：2 0 。c ( 2 9 ) 一r ( z ) 旦三三掣i ，。皿一o ( 2 1 0 ) 其中瓦为环境温度；p 、c 、k 分别为材料的密度，比热和热传导系数，且c 、k 分 别为温度的函数；l ，r 分别为柱材料的厚度和半径。 2 2 3 冲击热应力模型 当电子束能量较高时，表层将发生熔化。由于受电子束辐照表层材料成分分布不均 匀，亚表层内第二相颗粒( 或晶界附近) 首先发生熔化；当熔化液滴因体积迅速膨胀对 周围坑壁挤压力超过表层材料屈服变形瞬间，液滴将冲破表层喷发出型碉；同时，向上 喷出的熔液给坑底部一个瞬间冲击，随后惯性恢复，构成了冲击热应力的形成条件。 强流脉冲电子束材料改性三维数值模拟 3 强流脉冲电子束设备 对于具体的电子束表面改性工艺，所使用的电子束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。本章主要讨论了“n a d e z h d a 2 ”型强流脉冲电子束系统的组成、工作原理 及其性能参数。 3 1装置组成 l删梢p 二降割一也 ，t j 翰弦 。l 捂辜、一- ，攫 l y 咱h 啊 l一 嗡摘ki 了 l ji i， l、l 广 止 知wj 聒i 壹 x 7 矧：f褪廖 型啊w nf 皇i- 髓“ -f 册ri1 图3 1 强流脉冲电子束装置示意图 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 l 高压电容：1 2 ，1 3 手动真空阀1 ，2 ；1 4 ，1 5 机械泵1 ，2 ： 1 6 电磁阀门；1 7 分子泵；1 8n 2 气 f i g 3 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft 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 m ( h c p e b ) s y s t e m 1 c a t h o d e ；2 s p a r ks o u r c e ；3 c o l l e c t o r ；4 v a c u u mc h a m b e r ；5 s o l e n o i d ；6 r o k o v s k yc o i l ；7 p u l s e d h i g h - v o l t a g eg e n e r a t o r ；8 b r a c k e t ；9 e l e c t r i c i t yc o n t r o l l e r ；1 0 p u l s e st r i g g e r ；1 1 c a p a c i t o r ；1 2 ，1 3 m a n u a l v a c u u mv a l v e1 ，2 ；1 4 ，1 5 p u m p1 ，2 ；1 6 e l e c t r o m a g n e t i s mv a l v e ；1 7 m o l e c u l a rp u m p ；1 8 n i t r o g e n 强流脉冲电子束装置如图3 1 ，分为电子枪、真空系统、电源控制系统、诊断系统 四部分：真空系统，包括真空泵组( 一台扩散泵、二台机械泵) 、真空室、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( 其工作原理示意图见 图3 2 ) 、磁场触发电源等；诊断系统，包括测量工作真空、电子束流、阴极加速电压、 入射电子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。其中，用来产生强流脉冲电子束的电子枪是整个设备的核心 部位1 7 3 】。 大连理工大学硕士学位论文 3 2 工作原理 强流脉冲电子束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 及工作过程进行简要论述。 图3 2 脉冲高压发生器工作原理示意图 1 脉冲高压发生器；2 脉冲触发器；s 。，s z 火花间隙；c s ，储能电容；c t 转移电容；f l ，格式线；t l ， 传输线；r ，阻抗式分压器：磁，r ，电容 f i g 3 2w o r k i n gp r i n c i p l eo f t h ep u l s eh i g hv o l t a g eg e n e r a t o r ( p h v g ) 1 ，p u l s eh i g h - v o l t a g eg e n e r a t o r ( p h v g ) ；2 ，t r i g g e ru n i t ；s i ，a n ds z ，s p a r ks w i t c h e s ；c s - - 0 4 1 2 a fs t o r a g ec a p a c i t o r ；c t 。5 0p f , t r a n s f e r c a p a c i t o r ；f l ，f o r m a t t i n gl i n e ；t l ，t r a n s f e r r i n gl i n e ；r la n d ，v o l t a g ed i v i d e r ；& a n d 融，c h a r g er e s i s t o r s 3 2 1强流脉冲电子束的运行机制 利用电子束为内热源进行材料表面改性处理时，设备的工作参数与材料表面的处理 范围( 面积、深度) 及加热程度( 熔化、汽化、相变温度等) 密切相关。一般情况下， 改性层深度不超过几十个微米，对应电子在不同材料中的射程，电子的加速电压在4 0 k e v 以下便可满足要求，同时也可在一定程度上降低辐射危害。为使表面层获得足够高 的温度，同时又避免过多入射能量的传导损失，应选择脉冲方式工作，但要求脉冲加热 的速度要快，持续时间不超过1 矿s 。另外，由于采用了强流非聚焦型电子束的设计， 电子束流面积可达2 0c m 2 ( 0 5 0r a m ) 。根据上述的几个重要参数，通过计算推算出， 电子束的能量密度应在1 。6j c m 2 范围内，电子束流达到1 0k a 1 9 】。因此，本装置被称 为爆炸发射强流脉冲电子束装置( 又名“低能电子炮 ) 。 传统装置一般都采用真空二极管产生电子束 7 4 - 7 7 。如果仍使用真空二极管获得爆炸 电子发射，电场强度须达到3 0 0 4 0 0k v c m 。一方面，绝缘受到限制。另一方面要达到 强流脉冲电子束材料改性三维数值模拟 上述场强，阳极与阴极之间的距离d 就要很短( d 。0 1c m ) ，电子束脉冲持续时间不会 超过1 0 刁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，本装置中使用特殊设计的强流脉冲电子 束源。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，阴极附近的电 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正离子电荷构成的薄层中，为 产生阴极等离子体及爆炸电子发射提供了有利的条件【珊。阴极等离子体一旦形成，阴极 加速电压就转移到阴极、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，当阴极与阳极之间的距离扩大到几个厘米左右时，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 电子发射等离子体有充分的时间汇合( 大约需要1 0 7s ) ，形成一个稳定的阴极等离子 表面，有效地克服了电子束截面分布不均匀的因素。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 5c m ) ，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。 3 2 2 基于真空火花等离子体的电子枪 电子枪加速间隙及漂移空间中的等离子体可以由多种物理方法产生，在本实验装置 中采用一套独立供电的火花源提供此等离子体【7 8 1 ，如图3 3 所示。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。多个火花源电极同时产生火花放电， 形成稠密的阳极等离子体( n = 1 0 1 7 c m 3 ) ，等离子体同时会沿横向、纵向进行扩散。电 子枪的阴极采用石墨材料，其原因是该材料在产生热不稳定性的临界场强比较低，因此 在石墨表面可以比较快地产生真空表面击穿，从而缩短了阴极的启动时间，更容易形成 一个均匀的阴极等离子体层。由不锈钢制成的阳极，中心位置钻有一孔以通过电子束， 同时也起到控制电子束截面直径的作用。为了加速等离子体的纵向扩散速度和提高等离 子浓度，在放电室外壁加上一个强磁场，可以根据需要调整磁场线圈的位置和选取线圈 匝数。另