论文摘要
电子束因其优越的性能在现代高能束技术中一直占有重要地位,被广泛应用于材料处理等领域。本论文研究的基于赝火花放电机制的高频脉冲电子束是高能束材料表面改性领域中的一种新方法。赝火花放电是基于真空环境的气体放电脉冲电子束源,具有工作气压低、能量转化率高、成本低和体积小等特点。其产生的电子束为束斑直径在毫米量级的微细高频脉冲电子束,具有高电流（几百安培至几千安培）,短脉宽（几百纳秒至几微秒）,高重复频率（几百赫兹至几千赫兹）和自聚焦（零点几毫米至几毫米）等特点,是一种具有极高加热率和冷却率的动态热源,这些特性使该项技术有望实现对复杂金属零件表面进行快速、高效、可控的精细表面改性。脉冲型电子束源的实质是时间尺度上的能量压缩,即在尽量短的时间内将储能元件的能量释放,以获得优于直流电子束的高功率密度。该电子束特有的能量分布的不均匀性也对该技术的机理研究和技术应用提出了很多限制和挑战。为了推广赝火花电子束表面改性方法,主要应集中解决以下三个方面的问题:理解赝火花电子束与材料作用的机理,建立电子束与材料作用的模型;构建实验平台;进行表面改性的原型实验。以上三点也是本论文研究工作的重点。本论文以赝火花电子束表面改性技术为主要研究目标,利用仿真和实验两方面手段进行了研究和探索。仿真方面,首先建立了基于蒙特卡罗粒子仿真方法的微观尺度模型,并结合材料的元素组成、密度、电子束的加速电场等一系列参数,实现了更接近物理机制的大数量电子与材料的碰撞和能量转换过程和材料表层不同深度下动态温度场的仿真计算,推导出了赝火花电子束双高斯体热源模型,计算结果证实了电子束能量和密度分布的不均匀性是引起电子束在材料表层的特殊熔融层结构的决定性因素。且脉冲型电子束特有的沿入射方向能量分布函数会随着电子束源端加速电场的不同而呈现不同形式,这种电子束入射方向分布函数的差异性直接导致了不同电子束加速电压下材料熔融层中熔池形状的区别,进而从物理本质上解释了金属材料在电子束的快速加热过程中特殊形貌及微观组织的形成原因和机制。通过与有限元仿真模型相结合,提出了电子束表面改性过程中温度场的建模与分析。该模型可以通过对加速电场、辐照时间、电子束辐照区重合率等外部工艺参数下的热影响层结构和表面形貌进行仿真计算,指导和加速后续实验的进程。在该模型的基础上,提出了电子束表面改性平台的初步参数和指标。用于表面改性的赝火花放电实验平台,首先要充分利用脉冲型电子束所具有的快速加热和冷却特点;其次为了获得最优的表面形貌,避免火山坑形貌和不规则起伏形貌的产生,实验系统要有合适的能量密度和加速电压;同时要有合理的动态温度场规划过程。以上述仿真和理论为依据,本研究设计了一套完整的赝火花电子束表面改性实验平台,实现了赝火花放电电子束金属表层处理的原型实验,验证了基于赝火花放电的电子束表面改性的可行性。赝火花电子束辐照AISI1045钢样品后,其耐腐蚀性能得到了显著提高,为了分析其性能提高的原因,进一步分析了其微观组织。赝火花电子束表面改性后可观察到由于电子束在辐照过程中对固定辐照区内极快的加热和冷却速度,避免了通常的奥氏体-马氏体转化过程,使得奥氏体能够在室温下稳定存在。并由于赝火花高频电子束中达到10100 K/s的温度上升速率而产生了晶粒细化和非晶结构。表层形成的非晶层充当了钝化膜,从而提高了材料的耐腐蚀性能。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 傅宇蕾
导师: 赵万生,胡静
关键词: 赝火花电子束,表面改性,蒙特卡罗仿真,双高斯热源,晶粒细化,非晶化,耐腐蚀性能
来源: 上海交通大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑
专业: 物理学,材料科学
单位: 上海交通大学
基金: 2016年度国家自然科学基金委员会项目“基于赝火花放电机制的高频微细脉冲电子束表面辐照式抛光技术”(批准号:No.51505285),上海市浦江人才计划“应用于微细脉冲电子束表面精加工方法中的超快电子束流的传播特性与材料加热机制研究”(批准号:No.15PJ1403600)
分类号: TB306;O461.2
DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.000124
总页数: 142
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标签：赝火花电子束论文; 表面改性论文; 蒙特卡罗仿真论文; 双高斯热源论文; 晶粒细化论文; 非晶化论文; 耐腐蚀性能论文;