1、 江苏大学本科生毕业论文（设计）开题报告 学院： 材料科学与工程学院 专业： 金属材料工程 学号： 3130702063 年级： 2013 学 生 姓 名 钱振 指 导 教 师 关庆丰 论文（设计）题目 强流脉冲电子束辐照纯铝表面 Cr 合金化的研究 与本课题有关的国内外研究情况： 铝及铝合金由于轻质、高导电导热、无毒以及良好的再循环性能而广泛运用于航空、建筑、汽车、船舶和日用品等领域。但其表面性能如硬度、耐磨性等较差，且在含有 Cl离子等有侵蚀 性阴离子的腐蚀环境下容易发生点腐蚀，从而限制了其运用范围。大量研究表明铝的表面性能可以通过添加 Cr、 Ta、 W、 Nb 及 V 等元素加以改善，
2、便可制备得到铝合金二元或多元合金。添加的一些合金元素能有限地与铝形成铝基固溶体（ 相）；也有一些不溶或微溶的金属元素，以金属间化合物的形式存在铝基体中。因为这些过渡金属元素在 Al中的固溶度极小 (at.1%)，很难通过传统铸造的方法来实现合金化，因此需要利用某些特殊的非平衡亚稳态加工技术 (如快速凝固 (RS)、机械合金化 (MA)等 )来提高这些元素在 Al 中的固溶度，从而改善其表 面性能。 材料表面改性技术可实现材料表面相结构、组织形态或表面成分的改变 ， 从而达到性能优化 ， 尤其对于耐磨抗蚀等表面性能的提升具有重要意义。近年来发展起来的强流脉冲电子束表面合金化 ， 采用脉冲电子束能
3、量注入方式 ， 具有能量利用率高、基体不易变形等特点 ， 整个表面合金化过程在真空室内进行 ， 基体清洁度好 ， 可以对基体任意部位实施合金化手段 ， 处理方式灵活便捷。通过表面预涂覆或沉积合金化所需要的物质 ， 再经电子束轰击后 ， 基体表面合金化层发生形态、组织结构、化学成分等改变 ， 大大改善基体表面性能。已经有 316L 不锈钢基体上的脉冲电 子束表面合金化改性的实验研究报导。 强流脉冲电子束 (HCPEB)是近年来出现的一种新型载能束表面改性技术，能够在极短的时间内在材料表面沉积极高的能量，可使材料表层快速加热熔化甚至蒸发，然后快速冷却，是一种极具潜力的亚稳态加工技术。强流脉冲电子束
4、源于原子核聚变的实验研究 ， 60年代开始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及辐照 损伤等方面的研究工作。 Markov 等首先建立了强流脉冲电子束轰击在金属材料内引发温度场的物理模型 ， 并且得到了与实验符合较好的数值计算结果。 Proskurovsky 等在纯铁、膜层体系、钢和合金等材料的表面改性方面作了大量的工作。主要包括对碳钢与合金钢进行表面强化以提高材料表面的耐磨性和耐腐蚀性等 ， 他们发现在材料熔化的外表面层内 ，原始组织中的第二相被部分或完全溶解 ， 从而形成了过饱和的固溶体以及残余的纳米级第二相颗粒 ， 这些微结构的变化提高了材料表层的强度和电
5、化学性能。为了更好地理解这些现象 ， 他们进一步发展了 Markov 等的模型 ， 对温度场和应力场同时进行了数值模拟 ， 给出了材料表层升温、熔化、凝固及冷却的大致过程。 波兰、乌克兰等的研究学者也相继加入到该技术的研究讨论中 。乌克兰 Pogrebnjak等人则着重研究了 HCPEB 对材料结构的影响 ， 以及表面合金化对不同材料表面性能的提高作用书。他们采用电子束蒸镀金属薄膜与后处理结合的方法在纯铁表面实现了钮、铝、铬、铝等元素的合金化 ， 同时提高了纯铁的耐磨性和耐腐蚀性。并且使用 Nadezhda-2 强流脉冲电子束源 ， 利用 RBS、 SPB 和正电子寿命的测量以及 TEM 和
6、SEM 等技术 ， 对电子束轰击后的纯铁表面层进行研究 ， 发现了大量的非平衡空位向表面移动 ， 空位的密度达到 10-3， 因此在缺陷区域材料的局部密度降低 ， 并且认为这些局部的低密度区域是熔坑在材料表面形成的根源。 在国内 ， 大连理工大学三束材料国家重点实验室率先引进了俄罗斯 Nadezhda-2 型强流脉冲电子束装置 ， 随后董闯教授领导的研究小组开展了一系列强流脉冲电子束材料表面改性方面的工作。 郝胜志等以纯铝材为基础研究材料 ， 深入研究了不同参数的脉冲电子束轰击处理对试样显微结构和力学性能的影响规律 ， 进而获得了强流脉冲电子束表面改性的一些微观物理机制书了。郝胜志等通过载能电
7、子与固体表面的相互作用过程 ， 建立了较为合理的实际加工中的物理模型 ， 利用二维模型数值计算方法模拟计算了试样中的动态温度场及应力场分布 ， 并选用 1Cr18Ni9Ti 和 GCr15 进行了初步的改性应用尝试性工作。他的研究表明表层快速升降温与熔凝、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。尤其值得重视的是 ， 在对离子 Ti 注入后的轴承钢表面进行脉冲电子束微熔轰击处理时发现 ， 在实现表面强化效果的同时 ， 注入离子的分布范围得到大幅度提高 ， 显示出明显的增强扩散效应。 关庆丰在博士论文中以纯 Al， 20#， 45#
8、和 304 不锈钢为研究材料，对 HCPEB 表面改性后表面熔坑的形成机制、碳钢表面纳米化与非晶化的形 成机制、应力波的产生与 传播 以及对表面改性机制的影响、由强流脉冲电子束诱发的超快速加热和冷却引起的变形行为和机制以及面心立方金属中的空位簇缺陷的产生和演化机制等诸多方面进行了深入的研究。 本课题研究的主要内容及方法： 本课题研究的主要内容是利用强流脉冲电子束 (HCPEB)辐照预涂覆 Cr 粉的块体 Al材料，详细考察 HCPEB 作用下 Al-Cr 表面合金化层微观组织结构的演化行为及表面性能的影响。利用 X 射线衍射仪 (XRD)、扫描电镜 (SEM)对样品表面形貌进行观察；辐照后样品
9、在透射电子显微镜（ TEM）下进行微观结 构观察。利用 HCPEB 诱发表层微观缺陷结构促进互不固溶体系元素间的扩散，探讨 HCPEB 诱发材料表层微观结构、元素之间扩散及性能之间的关系。 本课题所需要解决的问题： （ 1）研究 HCPEB 辐照后样品表面形貌、纳米晶及碳颗粒分布规律，重点研究电子束辐照工艺与表面形貌变化的规律。 （ 2）系统表征脉冲电子束轰击后在表面诱发缺陷结构，分析互不固溶元素之间的扩散与晶体缺陷之间的内在关系，并探讨互不固溶体系元素扩散的机制。 （ 3）系统表征 HCPEB 辐照后机械性能和腐蚀性能的变化规律，并探讨微观结构和性能之间的关系。 预期结果及其意义： Al 材表面硬度、耐磨性有所提高，耐腐蚀性能上升，解决 Al-Cr 之间相容性问题。使铝合金在工程应用上有更多的发展。 完成课题的各阶段工作具体安排 起止日期 本阶段的工作安排 2.20-3.20 课题调研、英文资料翻译、读书报告撰写 3.20-3.31 设计实验方案、熟悉实验原理及过程 4.01-5.20 Cr/Al 体系合金化样品实验结果的分析 5.20-6.05 毕业论文撰写 6.05-6.08 毕业论文审阅、答辩 指导教师意见： 同意开题 签名： 2017 年 3 月 13 日 系审批意见： 签名： 年 月 日
