Al/Fe扩散行为及镜面纯Fe表面质量研究

摘要

研究高压下物质的性质行为，获得的规律性认识和基础物理数据，在近代材料科学、宇航技术、特别是惯性约束聚变（Inertial confinement fusion,ICF）、天体物理、星际物理、地球物理、高温稠密等离子体物理、高能密度物理武器物理和能源工程等许多应用科学领域中具有十分重要的应用价值。传统的测量高压下材料冲击压缩线的方法主要有3种基本类型：飞片撞击法（阻滞法）、阻抗匹配法（对比法）和自由面速度法。
　　在测量材料冲击压缩线的三种方法中，飞片撞击法与自由面速度法是绝对测量的方法，而阻抗匹配法是一种相对测量方法。如果已经精确测定了某个材料的冲击压缩线，就可以把该材料作为一种“标准”，在通过对比测量的方法，以简化对其它待测材料冲击压缩线的测量工作，仅需测出标准材料和被测材料中的冲击波速度，由于它避开了测量粒子速度或飞片速度在技术上遇到的困难，故而大大简化了测量工作。
　　用阻抗匹配法测量材料的冲击压缩线，需要制备出高精度的阻抗匹配靶。由于真空扩散连接法的优点，优化扩散工艺可制备出满足要求的靶件。本课题通过2个实验为制备Al/Fe、Fe/Mo等高精度靶件提供基础数据，分别为：
　　(1) Al/Fe真空扩散连接实验。加热温度恒定为460℃，压力恒定为9.8MPa，真空度由于10-4Pa，保温时间分别为：30min、1h、3h、6h和9h，利用扫描电镜（SEM），EDS分析扩散层形貌和元素分布表明：保温30minAl/Fe间没有发现明显的扩散层，扩散是Al先向Fe扩散的。用SEM分析了保温时间分别为180min、360min、540min的样品扩散界面，发现明显的扩散层，并用EDS线扫描分析了扩散层界面的元素浓度分布，综合分析得出界面扩散层存在3个分区，分别为：Al侧过渡区、中间扩散区、Fe侧过渡区。中间扩散层的Al、Fe原子比例稳定接近5:2，推测生成了Fe2Al5。扩散层的生长这样进行的：1、Al原子先向Fe侧扩散，在Fe侧形成凸起，随着Al原子的持续扩散，和Fe侧Fe原子向凸起扩散，凸起纵向长大，在Fe侧呈现出“竹笋”状，之间有间隙， Al侧没有明显凸起的扩散层，扩散层连成一片；2、“竹笋”长大到一定程度，开始横向生长，“竹笋”之间互相连接；3、保温时间继续增加，扩散层向Fe侧再次凸起形成“竹笋”，纵向生长。扩散层的厚度随保温时间的延长而增大。
　　(2)镜面纯Fe退火实验。实验设备与扩散实验相同。用白光共聚焦干涉仪检测表面形貌和粗糙度，金相显微镜观察表面晶粒组织，扫描电镜（SEM）观察表面再结晶细小晶粒，XRD检测晶粒取向。分析表明：保温时间30min，加热温度在550℃以下，温度对纯Fe表面粗糙度影响虽然不大，但随温度的增加有进一步增大的趋势。加热温度恒定为400℃，保温时间从30-240min，表面粗糙度变化很小，说明在温度在400℃时，保温时间对表面粗糙度基本没有影响，晶粒大小也没有明显变化。保温时间恒定为60min，在高温下，温度分别为810℃、860℃、885℃和895℃时，Fe的表面粗糙度缓慢提高，最大也只有44nm，而当温度提高到912℃时，样品的表面粗糙度突变到700nm，经分析是由于Fe的多晶型性转变引起的，由于体积变化导致晶粒之间的挤压造成表面的起伏不平，较深的晶界使得粗糙度增大，在960℃、1020℃、1060℃三个温度点，Fe表面粗糙度变化缓慢，稳定在750nm左右。810℃出现再结晶晶粒，在810℃开始在局部晶界处发生再结晶，产生细小的再结晶晶粒，860℃、885℃均发生再结晶，XRD极图表明860℃时已经出现晶粒择优取向，在相变点以上晶粒择优取向严重。810℃热压镜面纯Fe，热压60min，压强从4.8-19.2MPa，厚度变形率随压强升高而增加，说明纯Fe发生部分再结晶造成材料软化。

目录

声明

引言

1.1 高压物态方程的发展及应用

1.2 阻抗匹配靶的制备

1.3 Al/Fe真空扩散连接

1.4 真空扩散工艺对Al、Fe表面质量影响

1.5 课题选题的目的与意义

1.6 本文研究的主要内容

2 实验方法、装置与流程

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 主要扩散工艺参数

2.4 加热及加载方式

2.5 实验方案

3 保温时间对Al/Fe真空扩散界面连接层的影响研究

3.1 Al/Fe相图分析

3.2 Al/Fe扩散层厚度与保温时间关系的数值分析

3.3 Al/Fe扩散层界面显微组织及元素分布

3.4 本章小结

4 扩散工艺参数对镜面纯Fe的表面质量研究

4.1 表面粗糙度的测试方法

4.2 低温下镜面纯Fe的表面质量研究

4.3 保温时间对镜面纯Fe表面形貌及粗糙度的影响

4.4 高温下镜面纯Fe的表面质量研究

4.5 热压对镜面纯Fe的几何尺寸影响

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

致谢