高温合金强流脉冲束流表面改性机理及工艺

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利用TIA—450型强流脉冲离子束设备(离子束构成:C+70%+H+30%),在脉冲电压200kV、束流密度170~200A/cm2、能量密度2~3J/cm2、脉冲宽度80ns下,对高温合金GH3536进行1次、5次、10次、30次、50次、100次辐照实验。利用TRIM程序模拟C+和H+入射GH3536靶材的离子分布、能量沉积和缺陷的形成过程;利用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD),观察分析辐照前后靶材晶粒尺寸变化、表面形貌变化、相结构、显微组织变化;利用显微硬度仪、电化学工作站等检测辐照前后靶材显微硬度和耐蚀性能的变化。探讨了HIPIB与靶材GH3536的交互作用机理,系统的研究随着辐照次数的增加,靶材表面的形貌、组织结构及性能的演变规律。通过TRIM程序模拟,同等能量的H离子射程为877nm远远大于C离子的射程244nm;离子入射靶材的能量沉积主要有C离子的电子能损构成,靶材内部能量瞬间积聚,能量主要沉积在亚表层,亚表层物质喷发可能使靶材表面产生熔坑;靶材中空位缺陷主要由C离子的核能损构成,离子束能量沉积分布引发晶体缺陷(空位、位错、小角度晶界)的形成、复合与运动,在距表面一百微米处造成显微硬度显著提高,从而产生“长程硬化”效应。HIPIB辐照次数对靶材形貌影响较大,辐照后GH3536表面熔坑数量呈现先增加后减小的变化规律,熔坑直径逐渐变大深度变浅,表面变得平整光滑。随着辐照次数的增加,近表层空位的分布均匀化,故近表层缺陷造成的能量不稳定区域分布也变得均匀,这些不稳定区域喷发形成熔坑的几率变得相同,所以熔坑的数量减少。XRD测得结果表明在距离表面100ns处衍射峰向低角度方向偏转说明有拉应力存在;在距离表面30μm处衍射峰向高角方向偏转说明有压应力存在。由于在距离表面100ns处伴随有离子的注入,离子注入导致晶格畸变,表现为拉应力。在距离表面30μm处只受到应力波的作用,此处表现为压应力。随着辐照次数的增加靶材表面显微硬度呈先减小后增加的变化规律,最大值293.7HV。一次辐照后靶材表面Al、Ti等低熔点元素烧蚀,使得强化相γ,减少,使得硬度降低,随着辐照次数的增加表面物理和化学不均匀性减小,表面晶粒细化,纳米晶非晶等产生,导致硬度提高。辐照后靶材截面显微硬度在距表面120μm以内明显增加,最大值为289HV。应立波的作用是产生近表面硬度升高的主要原因。动电位极化曲线显示辐照前自腐蚀电流为1.002×10-7A,辐照后自腐蚀电流降低,五次辐照后靶材阳极极化曲线有钝化现象产生;三十次辐照后自腐蚀电流为9.116×10-10A,降低三个数量级。辐照后表面物理和化学不均匀性降低,Cr、Ni等化学稳定性强的元素含量相对增加,晶粒细化等因素使得表面耐蚀性能提高。
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