强流脉冲离子束辐照金属表面热效应模拟及实验研究

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1、沈阳理工大学硕士学位论文摘要随着强流脉冲离子束(HIPIB：HighIntensityPulsedIonBeams)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

2、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77。该现象以及其过程的演变与模拟

3、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、WlsCraV以及40CrHIPIB的传热过程进行了高能量输入的模拟。靶材45#、W18Cr4V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01-13030的汽化烧蚀现象不强烈。关键词：强流脉冲离子束：表面改性；热效应；蚀坑

4、；ABAQUS沈阳理工大学硕士学位论文AbstractAsthehi曲intensitypulsedionbeams(mplB)showsitsprominentadvantageinsurfacetreatment,ithasbeenattractedmoreandmoreattentionforresearchersofthesurfaceengineering．BasedonFouriertransiemstateheatingconductequation，thispaperconfirmstheheatingconducteq

5、uationofHIPIB．Thethermaleffectofthetarget(GH3536)surfaceirradiatedbyHIPIBwithdifferentpowerdensityissimulatedusingtheABAQUSsoftware．BodyHeatFluxModeusingElementremovedandreactivatedmethodimitatingthevaporizedmaterialisbuilttosimulateheatingspreadbehavioronthesurfaceirrad

6、iatedbyHIPIB．Thesimulationshowsthat，currentdensityisthemainfactorwhichinfiuentsthetemperatureincreasingvelocityduringtheirradiatedstate，andthechangeofpulsevoltagedoesn’tchangetheheatingratemarkedly．Irradiated、vinlhi曲powerdensity，thetargetsurfaceandinnermateriaivaporizeda

7、lmostsimultaneously，therefore，thegaseousatomsbreakoutfromthetargetandleaveacrateronthetargetsurface．Theincreasingofpulsevoltageisanobstacleforcoolingvelocity，moreover，itCandelaythetargetsolidification，butthecurrentdensityhaslessinfluencetothecoolingstate．Withtheincreasin

8、gofthecurrentdensity，thetemperaturegradientintheirradiateddirectionisgettinghigher．However,theincreasin