强流脉冲电子束处理对铜及其合金表面微观组织及性能影响研究

摘要

强流脉冲电子束是近年来得到迅速发展的一种新型表面改性技术，通过电子束与材料表面相互作用所导致的超快速加热和冷却过程使材料表面发生远离平衡态的非平衡凝固，达到常规表面处理方法所无法实现的特殊改性效果，从而可能改变材料表层的物理化学和机械性能。本实验采用“MMLAB-HOPE-I”型强流脉冲电子束装置对退火T2紫铜和铸造HPb59-1铅黄铜进行表面改性研究，利用扫描电镜、X射线衍射仪、EBSD对处理样品表面进行显微形貌和结构组织进行分析，并对电子束处理前后试样的显微硬度、导电性、纯铜的高温抗氧化性和合金的耐腐蚀性能进行检测研究，结果表明:
　　退火铜:在强流脉冲电子束处理之后，纯铜表面出现典型的“熔坑”形貌，熔坑随着脉冲次数的增加不断减少，且在处理表面分布着尺寸约在100nm左右的微孔洞。截面分析结果表明，随着脉冲次数的不断增加，重熔层变厚。XRD的结果指出，改性后纯铜衍射峰宽化并向高角度偏移，Cu(111)(200)(220)晶面的晶面间距值d减少，Cu晶格常数也减小，晶格发生畸变，25次脉冲处理后，Cu晶粒生长形成了(111)晶面的择优取向。EBSD结果也指出，强流脉冲电子束处理后，纯铜表面晶粒取向发生了变化，晶粒在一定程度上得到了细化，同时，处理后的样品小角度晶界增多，也说明强流脉冲电子束处理导致纯铜表面晶粒细化，同时位错密度增加。强流脉冲电子束处理对纯铜表面性能的影响:1）改性后纯铜表面硬度整体得到提高，随着脉冲次数的增加呈现出先增大后减小的趋势，表面硬度由处理前的21.5HV增加到15次处理后的34.2HV，随后25次脉冲处理后又降低28.7HV，截面硬度显示在距表面200μm范围内均出现显微硬度升高的现象，硬度变化呈现出一种特殊的波动状态;2）强流脉冲电子束处理之后，纯铜的抗氧化性能得到增强，结果显示，改性后的样品抗氧化性与脉冲次数关系不明显;3)强流脉冲电子束处理前后纯铜的导电性能基本上维持在101％IACS，导电性能未发生明显变化。
　　HPb59-1铜合金:在强流脉冲电子束处理之后，合金表面呈现出波纹状起伏的特征形貌，处理后合金中Pb元素分别以堆垛的块体状形式和小颗粒形式存在于合金表面。在表面重熔层中出现纳米组织，包括Pb晶粒和两相（α相和β相）组织，尺寸都在100nm以内，分布于整个表层中，强流脉冲电子束快速的能量沉积使得材料表层骤热极冷过程是诱发表面纳米组织的主要原因。电子束处理使合金表面形成几微米厚度的重熔层，组织细化且成分均匀，重熔层下方为热影响区和基体，随着脉冲次数从5次增加至25次，铜合金表面重熔层的厚度从3.6μm增加到5.5μm。XRD分析结果显示，经过电子束处理后的合金表面有新相生成，为无序态的β相，且处理后各相（Pb相、α相和β'相）衍射峰宽化，通过计算，表面残余应力可达1.33～2.34GPa，强流脉冲电子束处理使得各相的择优取向发生了变化。强流脉冲电子束处理对合金表面性能的影响:1）处理后合金表面硬度相比于原始合金中的α相得到了较大的提高，但略微低于合金中的β'相的硬度;2）强流脉冲电子束处理前后HPb59-1铜合金表面腐蚀电位向正方向移动，自腐蚀电流由原始样的9.6μA/cm2下降到25次脉冲处理后的6.4μA/cm2，合金的耐腐蚀性能得到提高，且随着脉冲次数增多，铜合金表面的耐腐蚀性能不断增强。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 铜及其合金应用现状及存在问题

1．3 铜材表面强化主要途径

1．3．1 电镀和化学镀

1．3．2 气相沉积

1．3．3 多元共渗

1．3．4 热喷涂技术

1．3．5 表面纳米化

1．3．6 高能束改性

1．4 电子束表面改性技术

1．4．1 电子束表面改性的优势

1．4．2 电子束表面改性技术的分类

1．4．3 电子束表面改性的应用现状

1．5 强流脉冲电子束(HCPEB)

1．5．1 HCPEB表面改性特点

1．5．2 纯铜及其合金HCPEB表面改性表面改性研究进展

1．6 本文研究的目的及内容

1．6．1 研究目的

1．6．2 研究内容

第2章 实验方法与过程

2．1 实验材料

2．2 强流脉冲电子束改性装置

2．2．1 装置组成

2．2．2 装置的工作过程

2．2．3 工艺参数

2．3 强流脉冲电子束表面改性处理

2．3．1 实验流程

2．3．2 电子束表面改性过程

2．4 分析检测方法

2．4．1 微观组织分析方法

2．4．2 性能测试

2．5 本章小结

第3章 纯铜强流脉冲电子束表面改性

3．1 引言

3．2 HCPEB处理后纯铜表面形貌分析

3．3 HCPEB处理后纯铜截面组织研究

3．4 纯铜表面XRD分析

3．4．1 衍射峰的宽化及偏移

3．4．2 择优取向

3．6 纯铜EBSD分析

3．6．1 电子背散射衍射技术(EBSD)的形成原理和包含的物理意义

3．6．2 纯铜表层EBSD分析

3．7 性能测试

3．7．1 纯铜表面及截面硬度分析

3．7．2 高温抗氧化性能分析

3．7．3 导电性能分析

3．8 本章小结

第4章 HPb59-1黄铜合金强流脉冲电子束表面改性

4．1 引言

4．2 HCPEB处理后铅黄铜特征形貌

4．3 强流脉冲电子束处理前后Pb的行为

4．4 HCPEB诱发铜合金纳米结构

4．4．1 表面Pb相的纳米化

4．4．2 合金两相组织纳米化

4．5 HCPEB处理后合金截面组织研究

4．6 合金表面XRD分析

4．6．1 合金表面相变

4．6．2 残余应力

4．6．3 择优取向的变化

4．7 性能测试

4．7．1 表面显微硬度分析

4．7．2 耐腐蚀性能分析

4．8 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文和专利