强流脉冲离子束辐照金属表面热效应模拟及实验研究

摘要

随着强流脉冲离子束(HIPIB：High Intensity Pulsed Ion Beams)在表面改性方面逐渐体现出的显著优势，国内外的表面工程学者越来越对其表现出浓厚的兴趣和研究热忱。 本文以Fourier瞬态传热方程为基础，确定了HIPIB热效应的基本传热方程，并用ABAQUS有限元软件，对靶材GH3536进行不同能量参数的HIPIB辐照热效应的模拟计算。通过模拟比较，建立了以单元死活表征汽化材料的体加载方式模拟HIPIB的表面传热形为。 研究表明：在辐照过程中，束流密度是影响靶材表层材料升温速率的主要因素，脉冲电压的变化对靶材表面升温速率的影响作用并不明显；HIPIB能量较高时，靶材表层和内部材料几乎同时发生汽化，形成气态原子爆破式喷发，在靶材表面形成蚀坑；脉冲电压的增大对靶材在液相状态的冷却速率起阻碍作用，并且可以延长靶材的凝固时间，而束流密度对冷却速率的影响作用相对较弱；束流密度的增大可以使靶材表层在辐照方向得到较高的温度梯度，而脉冲电压的提高则使靶材的温度梯度有所降低，并且显著增大液-固转化区域。 实验表明，在HIPIB辐照后，靶材表面出现致密的蜂窝状重熔形貌。靶材表面白色粒状析出相为高温合金的主要强化相γ′。该现象以及其过程的演变与模拟结果相吻合。靶材表面局部有蚀坑，研究推断靶材表层蚀坑的形成原因主要有以下四点： (1)固相原子溅射； (2)液态靶材飞溅； (3)束流的不均匀造成的局部汽化； (4)靶材气态原子爆破式喷发。 本文还对靶材45＃、GH3030、W<,18>Cr<,4>V 以及40CrHIPIB 的传热过程进行了高能量输入的模拟。靶材45＃、W<,18>Cr<,4>V以及40Cr在HIPIB辐照时均体现出较强的汽化烧蚀作用，有明显的原子喷发发生，并且可以得到较高的升温速率、降温速率、温度梯度以及较深的汽化层。而GH3030的汽化烧蚀现象不强烈。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1强流脉冲离子束概述

1.2强流脉冲离子束的工作原理简介

1.3强流脉冲离子束的研究状况

1.4本文的研究目的、内容和意义

1.4.1研究目的

1.4.2研究内容

1.4.3研究意义

第2章模型建立及算法分析

2.1基本的数学传热模型

2.1.1基本传热方程

2.1.2瞬态传热方程

2.1.3辐射传热

2.2 HIPIB传热方程

2.3算法及软件简介

2.3.1用有限元算法解决瞬态传热问题

2.3.2 ABAQUS软件简介

2.4体加载模型的建立

2.4.1建模

2.4.2体加载与面加载的对比

2.4.3单元死活算法的精确性比较

2.5小结

第3章 HPIB辐照GH3536靶材的模拟结果

3.1脉冲辐照过程中的热效应分析

3.2冷却过程的热效应分析

3.3脉冲结束时靶材表层的温度分布

3.4数据总结

3.5小结

第4章GH3536的辐照实验的研究

4.1试验材料

4.2 HIPIB工艺参数

4.3试验步骤

4.4实验结果及分析

4.4.1 SEM表面形貌及析出相

4.4.2辐照试样横截面形貌

4.4.3辐照试样表面相结构

4.5小结

第5章HPIB辐照其它材料的模拟研究

5.1计算结果

5.2小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果

致谢