（化学工程专业论文）过共晶铝硅合金强流脉冲电子束表面改性.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 也 思。 靴敝储鹳：却 日 期：渺穹7 、弓 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 摘要 过共晶铝硅合金强流脉冲电子束表面改性 摘要 强流脉冲电子束表面处理技术是近十年发展起来的一门新兴的改性技术，因具 有简单、可靠、高效等优点在材料表面处理领域得到迅速的发展。本课题组前期工作利 用强流脉冲电子束处理纯镁和镁合金，提高了材料抗磨性和耐腐蚀性能，同时对镁合金 的微观组织和合金化也进行了深入研究。本文选用a i 1 5 s i 、a 1 1 7 5 s i 和a i 一2 0 s i 三种合 金作为研究对象，以有效固溶粗大s i 相为目的进行强流脉冲电子束表面处理研究。这 种处理不仅能改变合金表面微观组织结构，而且能有效的提高合金的显微硬度和耐磨 性，达到表面强化的效果。 a 1 1 5 s i 和a i 2 0 s i 合金经强流脉冲电子束处理后实现表面快速融凝，初生硅溶入铝 基体( 0 【一a 1 ) 中形成过饱和固溶体，表现为“晕圈”组织形貌；表面出现纯铝颗粒，由 于材料内部热应力的释放，初生硅中心区域出现裂纹；高脉冲下合金表面反复熔化现象 明显，“熔坑”形貌消失，表层组织结构更加致密。与a 1 1 5 s i 合金相比，a 1 2 0 s i 表层 组织形貌不同的是相邻初生硅之间发生互溶，固溶度增加。a 1 1 5 s i 截面组织分析结果 表明随着脉冲次数的增加，重熔层变厚，靠近重熔层的基体内仅a 1 沿快速冷凝方向生长。 x r d 结果指出改性后合金表层晶粒得到细化，a 1 品格常数减小，晶格发生畸变，a l 晶 粒的再结晶过程使晶粒的择优取向生长晶面发生变化。 强流脉冲电子束处理前后对合金表面显微硬度进行了测试。结果表明合金经电子束 处理后，0 【一a 1 、共晶组织的显微硬度都随脉冲次数的增加明显增大；伐a 1 的显微硬度数 值由处理前的7 1 4 1 、7 2 6 7 和7 1 3 7 m p a 增加到1 2 1 6 0 、1 4 6 3 6 和1 4 0 7 3 m p a ，分别增 加7 0 3 ，1 0 1 4 ，9 7 2 ；2 5 次脉冲结束后共晶组织显微硬度分别为1 4 2 6 9 ，1 6 6 9 6 ， 1 6 7 9 4m p a ，与原始样相比依次增加7 1 6 ，1 0 3 3 ，7 4 o ；另一方面，表面处理后 初生硅出现熔化现象，硅元素逐渐向铝基体中扩散，初生硅的显微硬度从中心到边缘出 现梯度分布。 经过电子束处理后，三种合金的耐磨性与原始样品相比均有所提高。而且随着脉冲 次数的增加耐磨性出现先增大后降低的趋势，1 5 次脉冲下合金的磨损量依次下降 8 8 9 ，8 4 6 ，5 0 ，耐磨性最好。a 1 1 7 5 s i 合金摩擦系数分析结果表明经电子束改性 处理后合金摩擦系数与原始样品相比均减小，1 5 次脉冲下摩擦系数最小，同样表现出最 好的耐磨性。 东北大学硕士学位论文 摘要 最后通过e p m a 对初生硅的“晕圈”组织进行微区成分分析，结果发现a l 和s i 两种元素发生相互扩散，过饱和固溶度增加；随着脉冲次数的增加，初生硅中心区域的 铝含量比例增大，1 5 次脉冲后s i 在铝基体中的重量比达到5 0 。同时建立了简单固溶 体模型。 由此可见，强流脉冲电子束表面改性技术可以直接、有效地改变或改善过共 晶铝硅合金的表层组织结构和性能，使合金具有更广泛的应用前景。 关键词：过共晶铝硅合金，强流脉冲电子束，显微硬度，耐磨性，过饱和固溶度 ， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u r f em o d i f i c a 。o fh y p e r e u t e c t i casurthcem o d i f i c a t i o no tl a y p e r e u t e c t l ca i - ：s1 a l l o yb yh i g hc u r r e n tp u l s e d e l e c t r o nb e a m a bs t r a c t 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 ) h a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y a san e w l l i g h - p o w e re n e r g e t i cb e a mu s e df o rs u r f a c em o d i f i c a t i o no fm a t e r i a l si nt h el a s tt e ny e a r s o w i n gt oh a v i n gs i m p l e ，r e l i a b l e ，h i g he f f i c i e n c ya d v a n t a g e s i th a sb e e nc o n f i r m e dt h a t t h e w e a ra n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fp u r em ga n dm ga l l o y sb yh c p e bw e r ei m p r o v e di nt h e p r e v i o u sw o r k s a tt h es a m et i m e ，t h em i c r o s t r u c t u r ea n da l l o y i n go fm ga l l o y sh a db e e n s t u d i e dd e e p l y i nt h ep a p e r ，a 1 1 5 s i ，a i - 1 7 5 s ia n da i 一2 0 s ia f t e rh c p e bs u r f a c et r e a t m e n t w e r es t u d i e df o rt h ep u r p o s eo fe f f e c t i v es o l i ds o l u t i o no fm a s s i v es ip h a s e i tw a sf o u n dt h a t t h et r e a t m e n t sn o to n l yc h a n g e ds u r f a c em i c r o s t r u c t u r eo fa l l o y s ，b u ti m p r o v e de f f e c t i v e l yt h e m i c r o h a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c ea n da c h i e v e de f f e c to fs u r f a c es t r e n g t h e n i n g r a p i dm e l t i n ga n ds o l i d i f i c a t i o nw a sr e a l i z e do nt h es u r f a c eo fa 1 - 15 s ia n da 1 - - 2 0 s i a l l o y sb yh c p e bt r e a t m e n t ，s u p e r s a t u r a t e ds o l i ds o l u t i o nw a sf o r m e db e c a u s eo fp r i m a r ys i w a sd i s s o l v i n gi n t oa 1m a t r i x ，s h o w i n g “h a l o ”m o r p h o l o g y ；p u r ea l u m i n u mp a r t i c l e sw e r e a p p e a r e di nt h ea l l o y ss u r f a c e ，a n dc r a c k si nt h ec e n t r a lr e g i o no fp r i m a r ys iw e r ep r e s e n t e d a sar e s u l to fr e l e a s eo ft h e r m a ls t r e s s e sw i t h i nt h em a t e r i a l ；m e l t i n gp h e n o m e n o no fa l l o y s s u r f a c eu n d e rh i g hp u l s en u m b e r sw a sv e r yo b v i o u s ，t h e “c r a t e r s ”m o r p h o l o g yd i s a p p e a r e d ， a n ds u r f a c es t r u c t u r ew a sm o r ec o m p a c t ；c o m p a r e dt oa i - 15s ia l l o y ，d i f f e r e n c eo fs u r f a c e m o r p h o l o g yo fa 1 - 2 0 s iw a st h a ta d j a c e n tp r i m a r ys id i s s o l v e dm u t u a l l ya n ds o l u b i l i t y i n c r e a s e d c r o s s s e c t i o no r g a n i z a t i o na n a l y s i so fa i - 15s is h o w e dt h a tt h er e m e l t e dl a y e r b e c a m et h i c kw i t ht h ei n c r e a s ei nt h en u m b e ro fp u l s e s a n dq a lo fm a t r i xn e a rr e m e l t e d l a y e rg r e wa l o n gt h ed i r e c t i o no ft h er a p i ds o l i d i f i c a t i o n x r dr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eg r a i n s o fm o d i f i c a t i o ns u r f a c ew e r er e f i n e d ；l a t t i c ep a r a m e t e r so fa 1d e c r e a s e d ，l a t t i c ed i s t o r t i o n i n c r e a s e d ，c r y s t a lp l a n eo fa ig r a i n sf o rp r e f e r r e dg r o w t hw a sc h a n g e da sar e s u l t o f r e c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s so fa 1g r a i n sa f t e rh c p e b t r e a t m e n t m i c r o h a r d n e s so fa l l o y ss u r f a c eb yb e f o r ea n da f t e rh c p e bt r e a t m e n tw a st e s t e d t h e i v t h i ss h o w st h a th c p e bm o d i f i c a t i o nt e c h n o l o g yc a nc h a n g eo ri m p r o v es u r f a c e s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fh y p e r e u t e c t i ca 1 一s ia l l o yd i r e c t l ya n de f f e c t i v e l y ，s ot h a ta l l o y s h a da b r i g h t e rp r o s p e c tf o rw i d e ra p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：h y p e r e u t e c t i c a i s i a l l o y ，h c p e b ，m i c r o h a r d n e s s ，w e a rr e s i s t a n c e ， s u p e r s a t u r a t e ds o l i ds o l u b i l i t y v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i v 第1 章绪论l 1 1 引言1 1 2 过共晶铝硅合金的组织2 1 2 1 共晶硅的形态2 1 2 2 初生硅的形态2 1 2 3 铝硅固溶体2 1 3 过共晶铝硅合金快速凝固研究进展3 1 4 电子束表面改性技术6 1 4 1 研究现状一6 1 4 2 应用现状7 1 4 3 强流脉冲电子束7 1 5 电子束与材料表面作用机理9 1 5 1 电子束与固体的相互作用9 1 5 2 电子束能量在作用区的分配1 0 1 6 选题依据及研究内容12 第2 章实验部分13 2 1 铝硅合金试样的选用13 2 2 铝硅合会的制备1 3 2 3 实验流程及对比方案设计1 4 2 3 1 实验流程1 4 2 3 2 实验对比方案设计。1 4 2 4 合金表面处理15 2 4 1 预处理15 2 4 2 强流脉冲电子束表面处理。1 5 2 5 测试方法17 第3 章强流脉冲电子束处理过共晶铝硅1 9 东北大学硕士学位论文 目录 3 1 引言19 3 2 强流脉冲电子束表面处理对a i 1 5 s i 合金微观组织影响1 9 3 2 1 原始组织表面形貌分析1 9 3 2 2 改性后组织形貌分析2 1 3 2 3 改性后截面组织分析一2 3 3 2 3x r d 分析2 4 3 3 强流脉冲电子束表面处理对a 1 2 0 s i 合金微观组织影响2 7 3 3 1 原始组织表面形貌分析2 7 3 3 2 改性后表面形貌分析2 8 3 3 3x r d 分析2 9 3 4 本章小结3 2 第4 章过共晶铝硅合金的性能测试3 3 4 1 引言3 3 4 2 合金的硬度测试及分析3 3 4 2 10 【a i 显微硬度分析3 3 4 2 2 共晶组织( 基体) 显微硬度分析3 5 4 2 3 初生硅显微硬度分析3 7 4 3 合金耐磨性能分析3 8 4 3 1 磨损量变化3 9 4 3 2 摩擦系数分析4 l 4 4 本章小结4 2 第5 章强流脉冲电子束处理过共晶铝硅合金过饱和固溶度分析4 3 5 1 引言4 3 5 2 强流脉冲电子束处理a 1 17 5 s i 合金铝硅过饱和固溶度分析4 4 5 2 15 次脉冲铝硅元素扩散情况4 4 5 2 21 5 次脉冲铝硅元素扩散情况。4 5 5 2 33 5 次脉冲铝硅元素扩散情况4 7 5 3 关于简单固溶体模型的建立4 8 5 4 本章小结4 8 第6 章结论5 0 参考文献5 2 东北大学硕士学位论文 目录 攻读学位期间发表的论文5 8 致谢5 9 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 针对未来汽车材料轻量化的要求，以铝合金代替钢铁材料是一个优先发展的方向。 铝硅合金主要应用于汽缸盖、活塞、变速器壳、传动装置、排气管等零件，并有着广泛 的应用前景0 - 3 j 。目前国内使用的铝硅合金活塞材料主要是共晶型铝硅合金，随着汽车 产品向高速度、低能耗方向发展，共晶型铝硅合金已越来越难以达到使用性能要求。采 用更为合理的活塞材料势在必行。过共晶铝硅合金含硅量高达1 7 2 6 ，因而合金具 有密度小、比强度高、热膨胀系数小、热稳定性好、耐磨耐蚀及高温性能好等特点，是 发动机及压缩机活塞、汽缸体、斜盘等零件的理想材料，广泛应用于汽车、电子和航天 领域1 4 j 。而且随着合金中硅含量的提升，合金的热膨胀系数更小，合金的耐磨性、耐蚀 性、热稳定性及高温强度等性能更加优异【5 卅。国外己将此材料广泛应用于活塞生产， 随着高功率及增压内燃机的出现，国内也有少量单位开始应用【7 8 】。但是长期以来，限 制过共晶铝硅合金应用的主要问题是这类合金具有脆性大，切削加工性差等缺点。主要 是由于过共晶铝硅合金组织中粗大的初生硅和针状共晶硅的显微组织严重制约了该材 料的应用，其中初生硅为主要的硬质相，虽然能够提高合金的耐磨性，但是也因硅相颗 粒尺寸的增大导致材料的强度下降且脆性增加。因此如何细化共晶硅和初生硅，改善合 金的微观组织形态，对提高过共晶铝硅合金的力学性能有很大的现实意义，也为合金更 广泛的应用奠定了基础。 目前大量文献报道1 9 q 引，通过激光表面改性、喷射沉积和熔体过热处理等手段来改 变过共晶铝硅合金组织中的硅相形态( 大小和分布) ，从而达到细化硅相和改善合金使 用性能的目的。已有研究探讨了强流脉冲电子束对纯镁、镁合金及模具钢等组织和性能 的影响，然而很少有人对过共晶铝硅合金进行深入地研究，所以限制人们从微观上认识 和理解电子束下过共晶铝硅合金微观结构的变化。本文就是以过共晶铝硅合金为研究对 象，探讨强流脉冲电子束表面改性后合金组织结构和性能变化以及改性机理的形成，填 补电子束在过共晶铝硅合金表面改性领域的理论空白。接下来就了解一下过共晶铝硅合 金的原始组织形态、研究进展和电子束表面改性的特点。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 过共晶铝硅合金的组织 简单的二元铝硅合金( z l l 0 2 ) 是硅含量1 1 1 3 的合金，合金组织为粗大的针状 硅与铝基固溶体组成的共晶体和少量的板块状初生硅。由于组织中粗大的针状共晶硅的 存在，合金的机械性能不高。 本文以过共晶铝硅合金( a i 1 5 s i 、a 1 1 7 5 s i 、a 1 2 0 s i ) 为研究对象，与二元铝硅合 金z l l 0 2 相比，由于硅含量的提升，组织不仅有粗大针状共晶硅存在，更多的板块状初 生硅也存在于组织中，即硅相的尺寸、形貌和分布状态差，严重割裂基体，合金的力学 性能下降。但从降低材料的密度、热膨胀系数，提高材料的尺寸稳定性、耐磨性的角度 出发，提高过共晶a l s i 合金中的s i 含量却是有利的。解决这一问题的关键在于对s i 相形 态的控制。下面就详细介绍一下合金组织结构。 1 2 1 共晶硅的形态 铝硅合金中的共晶硅呈板状，并有 1 1 1 惯习面，当生长速度缓慢时，有 择优 生长方向，硅片的大角度分支是由于 1 1 1 ) 孪晶系的增殖所引起的，每两个孪晶系之间 的夹角为7 0 5 3 0 l m l 5 1 ，共晶片上无规则生长台阶和铸铁中石墨的分支十分类似。 1 2 2 初生硅的形态 过共晶铝硅合金中初生硅在自发生长条件下呈现出多种不同的形态，常见的有粗大 的多面体、板状及星状等多种形态1 “18 1 。c l x u 【1 9 2 0 1 等人研究了八面体硅在过共晶铝硅 合金中的生长规律。在硅含量较高时，金属型铸造条件下常出现典型的五瓣星状初生硅 组织，初生硅主要以五瓣星状形态存在，但初生硅的这种形态和大小还与凝固速度有关。 本实验所铸造的合金中初生硅的形状多以五边形和六边形结构为主。 1 2 3 铝硅固溶体 固溶体是指在固态下合金组元间互相溶解而形成的均匀固相。固溶体中含量较多的 并保留原有晶格结构的组元称为溶剂；固溶体中含量较少的并失去原有晶格结构的组元 称为溶质。值得注意的是，固溶体是合金中的基本相结构，其晶格与溶剂组元晶格相 同。虽然固溶体的晶体结构和溶剂相同，晶格结构保持不变，但因溶质原子的溶入引起 了点阵常数的改变，并导致点阵畸变，破坏了基质点排列的有序性，使其性能发生变化。 固溶体一般有一个固溶度，当外来杂质原子溶入过量，超过固溶体的固溶度，原来基质 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 晶体的结构就会被破坏。按溶质原予在溶剂品格中所占位置不同，可分为置换固溶体、 间隙固溶体和缺位固溶体，如1 1 所利2 1 j 。 因a l 和s i 的原子半径相近，电负性相差不大，两者形成的固溶体属于置换固溶体。 置换固溶体指溶质的原子代替了部分溶剂品格中的相应原子并占有其配位位置而形成 的固溶体，如矿物和离子化合物中广泛存在的各种混晶，其成分可连续变化，从而组成 类质同象系列。对于铝硅合金来说，溶剂原子为，溶质原子为s i ，s i 原子代替了部 分a l 品格中的原子而形成了固溶体，由于s i 原子的半径略小于a 1 的，所以导致固 溶体的晶格( a 1 的晶格) 发生畸变，品格常数变小。这是在平衡状态下形成的铝硅固溶 体，存在一定的溶解极限，即固溶度。但是，本文所研究的铝硅合金表面快速凝固过程 是在远离平衡状态下实现的，铝硅所形成的是过饱和固溶体，即在既定的加热和冷却过 程中溶解s i 的数量要大于处于平衡态下溶解度的固溶体，是一种处于亚稳定状态的固 溶体。因此，下文简单综述一下这方面研究进展。 )(姊 往 d ) 图1 1 固溶体的类型 ( a ) ，( b ) 置换固溶体；( c ) 间隙固溶体；( d ) 缺位固溶体 f i g 1 1t h et y p eo fs o l i ds o l u t i o n ( a ) ，( b ) s u b s t i t u t i o n a ls o l i ds o l u t i o n ；( c ) i n t e r s t i t i a ls o l i ds o l u t i o n ；( d ) d e d u c t i o ns o l i ds o l u t i o n 1 3 过共晶铝硅合金快速凝固研究进展 改善过共晶铝硅合金组织形态的一个重要方面是改变硅相形态。初生硅形态对高硅 铝合金性能具有重要影响，其形核长大机制、形态演化机制是高硅铝合金的主要研究内 容之一。细化过共晶铝硅合金组织的方法，常采用变质剂处理、半固态搅拌、快速凝固 等手段。就快速凝固等诸多方法中，除电子束表面处理之外，其他快速凝固手段也得到 研究和应用。 快速凝固( r s ) 是在比常规工艺过程中快得多的冷却速度下，金属或合金以极快的速 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 度从液态转变为固态的过程。快速凝固的金属冷却速度一般要达到1 0 4 1 0 9 。c s ，它对硅 相形态影响很大，改变凝固的冷却速度可以控制合金的组织形态。经过快速凝固的合金， 会出现一系列独特的结构与组织现象。1 9 6 0 年美国加州理工学院p d u w e z 等人采用一种 特殊的熔体急冷技术，首次使液态合金在大于1 0 7 。c s 的冷却速度下凝固。他们发现，在 这样快的冷却速度下，本来是属于共晶系的c u - a g 合金中，出现了无限固溶的连续固溶 体1 2 2 1 ；在a g g e 合金系中，出现了新的亚稳相；而共晶成分a u s i ( x s i = 2 5 ) 合金竟然 凝固为非晶态的结构，因而可称为金属玻璃【2 3 1 。这些发现，在世界物理冶金和材料科学 工作者面前展现了一个新的广阔的研究领域；七八十年代，d i x o n f 2 4 j 等制备了高耐磨快 速凝固高硅铝合金，并且日本对快速凝固高硅铝合金进行了广泛的研究【2 副；九十年代， 快速凝固高硅铝硅合金的研究己进入鼎盛阶段。近年来国内也对这方面进行了广泛的研 究，主要集中在天津大学、中南工业大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学、大连理工 大学及中国科学院金属研究所等科研院校。 目前，铝硅合金快速凝固组织可以通过很多工艺来获得。下面做简要介绍。 1 3 1 熔体快淬 该法能将熔融合金快速冷却获得块体非平衡态材料的先进凝固技术，现已广泛应用 在不同金属材料中。m r a j a b i 等【2 6 】用该方法制备了a 1 2 0 s i 5 f e 2 x ( x = c u , n ia n dc r ) 丝 带，并在4 0 0 下热压加工6 0 m i n 进行加强。结果发现，丝带微观结构除存在树枝状区 域外无明显的特征，s i 颗粒的平均直径为2 0 m m 。加强过的丝带中出现超细的球状s i ( 11 0 1 5 0 n m ) 颗粒，并且合金的机械强度也有一定的提高。 1 3 2 喷射沉积技术 此法在雾化法的基础上将喷射得到的液滴沉积在激冷的基板表面以达到快速凝固 的一种近成形方法，它是制备快速凝固块体材料的一种重要方法。g u p t a 等1 27 j 对常用的 a 3 9 0 合金进行了研究，发现经过热处理后，能够得到平均尺寸为0 5 6 p m 的球状初生硅。 喷射沉积所获得的均匀分布的等轴晶是三方面综合作用的结果：未完全凝固的液滴撞击 到基板上产生的剪切应力打碎枝晶壁和基体过冷作用导致形核、晶粒增殖以及抑制晶粒 长大。赵爱民等【1o j 研究了喷射沉积a 1 3 0 w t s i 合金的凝固组织和耐磨性能，结果表明 喷射沉积a i 3 0 w t s i 合金的组织由s i 相和0 【相组成，细小的s i 相均匀分布在g t 基体中， 沉积态组织中硅相尺寸比金属型铸造试样降低2 个数量级。喷射沉积高硅铝合金具有优 良的耐磨性。随着硅相尺寸的减小，高硅铝合金的磨损由剥落为主的机制转变为犁沟变 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 形机制。 1 3 3 激光表面改性 激光表面处理技术是可以快速凝固的一种方法。激光表面处理得到的快速凝固的组 织中晶粒的形核和生长过程受到广泛关注。可以得到比化学变质处理、半固态搅拌小1 个数量级以上的球状初生硅。因此，快速凝固技术在改善铝硅合金，特别是硅含量 2 0 的高硅铝合金的微观组织方面有着良好的应用前景2 8 1 。蔡殉等采用最大输出功率 1 0 k w 的连续横流c 0 2 激光器对铸造铝硅合金表面进行快速辐照加热重熔，并快速冷却 凝固处理，以获得深度达l m m 以上的表面改性层。结果表明，经过激光处理后的表面 改性层，组织明显细化，o 【a i 晶体中可固溶更多的s i 原子，获得过饱和固溶体组织。 另外，表面改性层的平均显微硬度在11 6 2 0 3 h v 之间，耐磨性明显高于基体材料，这 是由于细晶强化和过饱和固溶效应引起的。赵涛等【l2 】用5k wc 0 2 激光器对先后预置不 同成分合金粉末的铸造铝硅合金表面进行2 次激光扫描，制备了c r 阿c 激光表面改性 梯度层，并对其显微组织进行了分析。结果表明，在梯度层表面产生了大量的a 1 9 c r 4 化合物，且有更多的硅元素固溶在q a 1 中，增加了固溶强化的作用；自表面至基体激 光改性梯度层的显微硬度呈现明显的连续变化趋势，而单次激光表面改性层与基体之间 的显微硬度值则有一突变。微动磨损实验表明，激光改性后的表面抗微动磨损的能力增 强，磨损机制不同于铝硅合金基体，而表现出较好的抗粘着损伤性能。 1 3 4 喷雾加工和热挤压法 此两种方法结合使用是完成喷雾加工工艺之后，再对喷射沉积合金进行热挤压处 理。a k s r i v a s t a v a 等【2 9 】使用惰性气体雾化技术完成了a 1 18 s i 5 f e 1 5 c u 合金的喷射沉 积。之后，此喷射沉积的合会在6 ：1 的减速比、4 8 0 的挤压温度下进行热挤压处理。在 微观结构分析中发现，喷射沉积的合金结构细化，并且在q a 1 基体中，超细初生硅和 金属间化合物的矩形薄片均匀分散在其中。相比之下，经过喷射沉积和热挤压双重处理 后，合金除了在基体中存在纳米尺寸的金属间化和物和s i 的碎片外，在a l 颗粒或是晶 界处还存在位错缺陷。所以，此方法对制备性能好的合金不太适用。 1 3 5 流体雾化法 通过将液态金属分散成液滴，以增加比表面积，提高冷却速度，得到快速凝固粉体 材料的r s 的方法称雾化法。由雾化法能够获得球状粉体颗粒。z h o u l 3 0 1 等分析热挤压后 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 a 1 2 0 s i 5 f e 3 c u - 1 m g ，发现热成形过程中s i 颗粒的形状会发生变化，但是尺寸几乎没 有发生变化。这与下列原因有关：过饱和铝基体沉淀析出各种金属间化和物相，它们分 布在亚晶界上作为异质形核点，从而有效阻止了初生硅的长大，也有人认为这主要是 s i 颗粒受加热长大和挤压破碎两种过程共同作用的结果。 1 3 6 悬浮熔炼法 该法依靠高频电磁场或其他悬浮力磁场将合金液自由悬浮在真空或惰性气体中，避 免液体接触容器而产生异质成核，获得深过冷。在大过冷度下，a l 大量包围在s i 晶体 外，初生硅相内部的层状堆积消失，这可能是大过冷度降低了溶质富集速度从而抑制初 生硅相的长大。葛丽丽【3 l 】通过电磁悬浮条件下反复加热与凝固，获得了3 2 0k 的过冷度。 观察了不同过冷度下凝固样品小球表面和深腐蚀截面的组织形貌。过冷度较小时，初生 s i 相为小平面型枝晶形貌，并在其中发现了a l 的层状沉积；过冷度较大时，初生相s i 转变为粒状形貌，共晶体的形貌也随过冷度的增大转变为离异共晶形态。较大过冷度下， 微观组织中发现有晶粒细化现象，这与s i 晶体生长受溶质的抑制及初生相s i 枝晶的断 裂有关。 1 4 电子束表面改性技术 电子束表面处理技术也属于快速凝固工艺的一种。它是一种较为先进的表面改性技 术，由于该技术具有简单、可靠、高效、低耗，重复性好等特点，日益受到人们的关注， 在材料表面处理领域得到迅速的发展【3 2 3 6 1 。电子束照射时，以加速电子为载体的入射电 子在极短时间( “s ) 作用到材料表面，引发熔化、汽化、应力波、冲击波和增强扩散 等一系列物理和化学现象。照射结束后，加热区域的温度迅速向基体扩散，表面层的温 度急剧下降，从而在材料的表面层内形成快速加热和冷却的过程，使其中的颗粒来不及 长大就以液体的状态凝固下来，因而可实现常规处理方法所无法获得的远离平衡的组织 结构及性能。 1 4 1 研究现状 早在2 0 世纪5 0 年代就有人提出强流相对论性电子束的概念，直到6 0 年代， 英国原子武器研究中心的j c m a r t i n 等【3 7 1 首先提出和研制高功率脉冲装置用于产 生强流脉冲电子束，成功地发展了利用m a r x 发生器技术对脉冲形成线 ( p u l s e - f o r m i n gl i n e p f l ) 进行脉冲冲电、产生短脉冲宽度( 1 0 l o o n s ) 的高功率 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 脉冲技术，它的一种重要应用是作为核武器效应的模拟源【3 引。 7 0 年代以后才相继有学者在材料表面改性方面进行试探性研究，主要是进行 半导体退火、以及离子注入金属后再用电子束处理【3 9 4 0 1 和辐照损伤4 1 】等方面的研 究工作。当时，只有俄罗斯，德国，美国，日本等的个别科研单位在这方面进行 了一些探索性工作【4 2 4 3 1 ，并且俄罗斯研制的新型电子束表面改性装置，可产生大 面积( 3 0 c m 2 ) 、强束流( 可达到10 k a ) 的电子束【4 4 1 。国内在脉冲电子束方向的 研究基础也是比较薄弱。虽然八十年代初建成了我国最大的强流脉冲电子束加速 器闪光i 【45 1 ，但主要侧重于抗核加固，闪光x 射线照相，高功率激光器，惯性约 束聚变，离子集体加速等物理及军事研究上，而在工业及民用方面的应用技术开 发与研究却很少。 目前，电子束表面非晶态处理及冲击淬火等先进处理工艺的研究已经在世界各国广 泛展开1 4 6 j 。 1 4 2 应用现状 电子束技术在表面改性领域应用是在实践中发展起来的，随着这一技术在众多领域 取得显著成果，受到世界各国的广泛重视。目前，投入使用和j 下在丌发的电子束表面改 性技术已有很多【47 | 。 早在7 0 年代初，美、苏两国首先将电子束用于薄钢带、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应用于材料改性处理。 8 0 年代是电子束改性技术蓬勃发展时期，世界各国关于成功运用该技术的报道屡见 不鲜。德国、日本、法国等发达国家将电子束改性技术应用于机器制造业，取得了可喜 的成果【4 8 4 9 1 。随着微电子控制技术及制造工艺的发展，8 0 年代中后期，出现了计算机 控制的电子束表面改性装置，极大的推动了电子束表面改性技术的发展。 从目前的报道情况来看，表面改性工艺中所使用的电子束加速电压已经达到1 m e v ， 功率密度接近1 0 9 w c m 2 ，大面积及短脉冲( n s 量级) 打点等新技术不断出现【4 4 , 5 0 l 。 1 4 3 强流脉冲电子束 本实验采用电子束中的一种一强流脉冲电子束，它是一种新型高效的表面处理技 术，h c p e b 中电子携带的能量可在极短时间内作用到材料的表面，引发熔化、汽化、 应力波、冲击波和增强扩散等一系列物理和化学现象，因而可以实现常规处理方法所无 法获得的非平衡组织结构( 亚稳组织) 及性能，具有广泛工业应用f j 景。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 脉冲电子束表面处理是一种选择性区域处理。从电子枪阴极表面发射的电子，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m 到几 个m m ) 温度急剧升高，而“基体仍保持“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 度差会在处理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。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，就构成了脉冲电子束表面改性处理的独特工艺。另外，脉冲工作方 式使其具有较广泛的应用范围，可以用于金属、半导体材料的表面强化、表面合金化、 清洗及熔覆掣5 1 5 2 】，前景广阔。 目前，国内用于材料表面改性的电子束设备主要是大连理工大学三束材料改性国家 重点实验室的n a d e z h d a - 2 型强流脉冲电子束设备，北京航空航天大学江兴流课题组的 纳秒脉冲电子束以及沈阳理工大学中俄联合高能束流实验室的p o l o 型强流脉冲电子 束设备。 大连理工大学郝胜智等【5 3 】以纯铝靶材为基础研究材料，深入研究了不同参数下电子 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。研究表明：表层快速( 1 0 8 k s ) 升降温与熔凝、入射束的瞬时热 冲击作用是导致表层材料改性的直接原因，表面改性层的抗腐蚀、硬度、抗磨损性能均 有明显提高。吴爱民等【5 4 j 以h 1 3 和d 2 两种典型的模具钢为基材，通过脉冲电子束直接淬 火和电子束表面合金化等方法进行表面改性处理，结果表明，处理后的模具钢表层硬度、 耐磨性，特别是抗微动磨损性能大幅度提高。邹建新等【5 5 】主要研究了强流脉冲电子束轰 击材料表面的热力学过程的数值模拟，主要内容包括温度场、应力场和扩散过程的模拟。 秦颖掣5 6 j 主要用数值模拟的方法研究了熔坑的形成机制，指出亚表层率先升温及熔化从 而通过表层向外喷发的熔坑状熔孔的形成机制。同时对脉冲电子束材料表面改性过程中 的应力产生及演化过程进行了研究，指出在材料表面未熔化的处理条件下，应力状态主 要是材料表层随温度场变化的准静态应力以及由表面向内部传播的热弹性应力波。高波 【5 7 “o 】选择纯镁以及变形镁合金a z 3 1 和铸造镁合金a z 9 1 h p 作为研究对象，发现经强流脉 冲电子束处理后，纯镁及镁合金表面分别生成了厚度约为3 8 微米、4 1 0 微米的重熔层， 并且表面出现塑性变形。纯镁及镁合金的抗蚀性及机械性能均有所提高。同时还对纯镁 及镁合金进行强流脉冲电子束表面合金化处理，纯镁表面合金化铝后，样品抗5 n a c i 溶液腐蚀性能得到显著提高。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 吉林大学关庆丰【6 1 1 研究强流脉冲电子束作用下金属材料的微观结构状态，结果表明 表面熔坑的数量随晶界、位错等结构缺陷的增加而增加，且熔坑沿晶界和高位错密度区 择优形成，结构缺陷是表面熔坑形成的萌芽。同时得到了h c p e b 表面处理低碳钢温度场 的分布曲线，分别给出了熔化丌始的位置( 0 2 5 肛m ) 、热影响区范m ( 1 0 9 m ) 、升温速率 ( 1 0 8 k s ) 、降温速率( 1 0 6 k s ) 等。另外指出h c p e b 表面处理后至少在5 0 0 p m 深度范围内显 微硬度值都有所升高，幅值较高的应力波是导致材料深层改性的原因所在。安健【6 2 j 在强 流脉冲电子束改性实验基础上，通过数值计算方法对a 1 s i p b 合金的温度场和应力场进 行模拟，给出了最先熔化的位置、形成熔坑的最大深度、熔化区的最大深度以及准静态 热应力的分布。通过合金的数值模拟结果和实验结果对比，揭示了表面熔坑的形成机制 和剖面硬度分布特征。 沈阳理工大学赵掣6 3 l 对压铸镁合金a z 9 1 进行强流脉冲电子束进行处理，研究表明 合金表面的摩擦系数及磨损量均有所降低，同时发现脉冲次数和脉冲电流对表面熔凝层 厚度有显著影响。江兴流教授指导下的课题组在国家自然科学基金的支持下自行研制开 发出了多极板纳秒赝火花强脉冲粒子束( 电子与离子束) 装割删，并致力于赝火花