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强流脉冲电子束处理纯镍的微观结构

程笃庆  
【摘要】: 本文利用Nadezhda-2型强流脉冲电子束装置对纯镍进行表面改性处理。对HCPEB轰击纯镍表面的温度场进行了数值模拟,得到了温度场分布曲线,利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)等测试技术分析HCPEB处理后的表面显微形貌和微观组织结构变化。 对表面温度场的模拟表明,材料近表层的温度已经超过了镍的熔点,HCPEB处理引起的热影响区深度约为30μm,熔化的开始时间为0.2μs,熔化开始的位置位于表面下方0.4μm。加热速率高达10~9K/s,冷却速率为10~7K/s量级。 HCPER处理后纯镍样品表面发生熔化现象,5次HCPEB轰击后表面重熔层的平均厚度约为1.6μm;处理表面上形成类似火山坑状的熔坑形貌,表面熔坑的数量密度与样品表面的缺陷密度密切相关,同时表面形成了尺寸极小的微孔,微孔是由于大量空位以位错和晶界为移动路径向表面迁移,在表面形成的空位累积所致。 沿电子束入射方向将横截面组织分为重熔层、热影响区、应力作用区和基体。在表面重熔层出现纳米晶组织,晶粒大小约80nm左右,均匀分布在整个表面层,强流脉冲电子束快速能量沉积引发表层材料的剧热激冷过程是形成表面纳米晶组织的主要原因。在热应力的作用下,热影响区内发生了强烈的塑性变形,1次HCPEB轰击的变形组织为高密度的位错胞和位错墙结构,5次HCPEB轰击时纯镍产生孪晶变形,形成了大量的孪晶结构,10次HCPEB轰击后变形主要由堆垛层错和形变孪晶引起的。强烈的塑性变形使得热影响区内发生晶粒细化。在位错墙和晶界处分布有高密度的位错圈和SFT等空位簇缺陷,分析表明,SFT等空位簇缺陷与形变孪晶的形成有密切的关系。 X射线衍射分析表明HCPEB处理后材料内部聚集了大量的宏观残余应力,5次HCPEB轰击后应力值超过1GPa,同时从XRD衍射图中发现Bragg衍射峰明显变宽,这主要是由于表面纳米化、材料内部晶粒细化以及超高的残余应力所造成的。


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