1、利用TEMP-6型和ETIGO-Ⅱ型強(qiáng)流脈沖離子束(High-IntensityPulsedIonBeam-HIPIB)裝置分別產(chǎn)生加速電壓為300kV，脈沖寬度為70-80ns，束流密度為60-500A/cm2，能量密度為1-12J/cm2和1MV，50-60ns，1500A/cm2，～90J/cm2的HIPIB，通過(guò)金屬材料、石墨及氧化物涂層燒蝕特性的實(shí)驗(yàn)研究，揭示了燒蝕表面形貌和相結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，結(jié)合表面燒蝕過(guò)程的理論計(jì)算，進(jìn)一步

2、探明了HIPIB與材料相互作用機(jī)理。依據(jù)HIPIB輻照的表面燒蝕作用，拓展HIPIB在材料表面改性方面的應(yīng)用。 采用100-200A/cm2，1-5次和1500A/cm2，1-3次的HIPIB輻照金屬Ti的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，表面微觀幾何不均勻性，如微凸、鑲嵌碎屑等的選擇燒蝕而產(chǎn)生液滴噴射，造成了100A/cm2條件下表面形貌以燒蝕坑為主；輻照強(qiáng)度增加到200A/cm2時(shí)，表面呈現(xiàn)以波浪狀起伏為主的燒蝕形貌；進(jìn)一步增加輻照強(qiáng)度至150

3、0A/cm2，束斑中心區(qū)域因均勻燒蝕而較平坦，而在周圍區(qū)域形成燒蝕坑與波浪起伏混合的形貌特征。200A/m2條件下，隨著輻照次數(shù)從1次增加到5次，表面逐漸趨于光滑、平整。金屬Ti輻照表面的相結(jié)構(gòu)均為單一α-Ti相。采用60-200A/cm2，1-50次和50-90J/cm2，1次的HIPIB分別輻照金屬間化合物γ-TiAl，合金中低熔點(diǎn)元素和晶界造成了局部區(qū)域的擇優(yōu)加熱、熔化和蒸發(fā)等不均勻熱效應(yīng)，除導(dǎo)致合金表面形成燒蝕坑和波浪狀起伏等表

4、面燒蝕特征外，還出現(xiàn)嚴(yán)重的沿晶界開(kāi)裂現(xiàn)象。低熔點(diǎn)Al元素的擇優(yōu)燒蝕，導(dǎo)致γ-TiAl燒蝕表層依次形成了Ti3A1和Ti2Al相。采用300-500A/cm2，1-5次的HIPIB輻照GH33高溫合金，燒蝕表面形貌的變化規(guī)律與金屬Ti相似，但燒蝕坑尺寸較大，且邊緣較模糊；燒蝕表面仍為單一γ相。合金元素的選擇燒蝕雖對(duì)表層相結(jié)構(gòu)無(wú)明顯影響，但影響了燒蝕表面形貌的形成過(guò)程。基于焓法建立了HIPIB輻照材料相變傳熱的二維軸對(duì)稱模型，計(jì)算了能量密度

5、為0.1-120J/cm2條件下金屬Ti的表面燒蝕過(guò)程。計(jì)算結(jié)果表明，金屬Ti熔融和燒蝕的臨界能量密度分別為0.2和0.7J/cm2。在70J/cm2條件下，模擬計(jì)算1-10次輻照的燒蝕質(zhì)量與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值基本相符。 采用200-350A/cm2，1-5次和1500A/cm2，1次的HIPIB輻照石墨實(shí)驗(yàn)研究，Raman光譜分析表明，350A/cm2，2次以上輻照的表面在波數(shù)為1100至1700cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)非對(duì)稱的寬化峰

6、，石墨表面發(fā)生顯著的相結(jié)構(gòu)變化，形成了類金剛石(Diamond-likeCarbon-DLC)。表面形貌觀察表明，200A/cm2條件下，表面局部區(qū)域內(nèi)因輕微的選擇燒蝕而呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)；增加輻照強(qiáng)度至1500A/cm2，石墨表面的選擇燒蝕逐漸加劇，因液滴噴射而形成球狀和須狀產(chǎn)物，其直徑從350A/cm2時(shí)的0.3-0.8μm增加到1500A/cm2時(shí)的0.5-1.0μm；在350A/cm2，1-5次輻照條件下，石墨燒蝕表面隨輻照次數(shù)增加而

7、呈現(xiàn)致密化趨勢(shì)，與具有較高密度的DLC形成相關(guān)。采用本研究建立的HIPIB輻照材料相變傳熱模型計(jì)算了石墨表面燒蝕過(guò)程，計(jì)算結(jié)果表明，在200A/cm2，350A/cm2和1500A/cm2條件下，石墨表面以1012-1013K/s的升溫速率達(dá)到沸點(diǎn)4523K而發(fā)生燒蝕，隨后以1013-1014K/s的冷卻速率凝固，相應(yīng)產(chǎn)生的高溫高壓等非平衡熱一力學(xué)過(guò)程均有利于sp2鍵向sp3鍵轉(zhuǎn)變，對(duì)應(yīng)的表面溫度梯度分別為6.765×108，6.856

8、×108和1.536×109K/m，表面燒蝕深度分別為0.4，0.8和8.2μm。350A/cm2條件下燒蝕表面具有的高溫高壓過(guò)程有利于石墨發(fā)生相變而形成DLC，而輻照強(qiáng)度過(guò)高或過(guò)低均只有微量DLC形成，前者歸結(jié)于嚴(yán)重的燒蝕而導(dǎo)致已形成DLC的表面層被去除，后者則可能因產(chǎn)生的壓力條件不足而無(wú)法大量形成。 采用300和500A/cm2，1-10次的HIPIB輻照在耐熱鋼基體上等離子體噴涂的Cr2O3涂層，表層仍為單一Cr2O3相，

9、但表面重熔和燒蝕對(duì)孔隙的填充作用導(dǎo)致粗糙、多孔的涂層變得平整、致密。在300A/cm2，1次條件下表面致密度略有增加并出現(xiàn)少量微裂紋，熔融層厚約1.5μm且不連續(xù)；繼續(xù)增加輻照次數(shù)到10次，涂層表面更加光滑、平整和致密，但微裂紋增多呈網(wǎng)狀特征。500A/cm2條件下，劇烈的重熔和燒蝕導(dǎo)致涂層表面更為致密，連續(xù)熔融層增厚到約2.0μm，但微裂紋密度仍略有增加。在300A/cm2條件下，隨著輻照次數(shù)從1次增加到10次，重熔Cr2O3層逐漸變

10、得致密導(dǎo)致表面顯微硬度相應(yīng)增加，從原始的HV1.96N9.82GPa增加到10次輻照的HV1.96N27.88GPa；劃痕測(cè)試得到原始及輻照Cr2O3涂層的劃痕曲線均呈連續(xù)變化，表明Cr2O3重熔層與涂層基體為冶金結(jié)合?；谠技?00A/cm2，1和10次輻照條件下聲壓反射系數(shù)模的變化曲線，其極小值之間的頻率間隔從原始的21.97MHz增加到10次輻照的23.34MHz，對(duì)應(yīng)于涂層內(nèi)部的超聲波聲速由原始的2197m/s增加到10次輻照

11、的2343m/s，表明隨著輻照次數(shù)的增加涂層愈加致密，與表面形貌觀察的結(jié)果一致。 采用300和400A/cm2，1-10次的HIPIB輻照GH33基體等離子體噴涂ZrO2-7wt.％Y2O3涂層，表面形貌的變化規(guī)律與Cr2O3涂層相似，發(fā)生涂層光滑和致密化。采用300A/cm2，1次的HIPIB輻照電子束物理氣相沉積(electronbeam-physicalvapordeposition-EB-PVD)ZrO2-7％Y2O3涂

12、層，表面熔化和燒蝕對(duì)表面微米深度內(nèi)柱狀晶間隙和孔洞的填充作用使原始疏松且粗糙的表面變得致密、平整，表面保持單一t-ZrO2相不變。在1050℃C×1h條件下循環(huán)氧化20次，輻照Z(yǔ)rO2-7％Y2O3涂層的氧化增重值最低，約為0.4mg/cm2，明顯低于原始熱障涂層的0.7mg/cm2和GH33高溫合金的1.2mg/cm2。與原始涂層相比，HIPIB輻照的熱障涂層中粘結(jié)層氧化程度較輕，且熱生長(zhǎng)氧化物的氧含量約降低12％。氧化增重曲線和橫截

13、面觀察結(jié)果相一致，證實(shí)了輻照熱障涂層的抗氧化性能優(yōu)于原始涂層。 因此，材料表面微觀幾何不均勻性顯著影響HIPIB能量的傳遞、吸收和消耗過(guò)程，發(fā)生的選擇熔化和燒蝕是金屬表面燒蝕坑、石墨表面球狀和須狀產(chǎn)物以及氧化物涂層表面致密化的主要原因。金屬表面微凸、鑲嵌碎屑、坑洞、雜質(zhì)、低熔點(diǎn)元素、晶界以及不同相結(jié)構(gòu)等缺陷的選擇熔化和燒蝕，形成以燒蝕坑為主的表面形貌。石墨表面微凸和孔洞的選擇熔化和燒蝕，形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)或球狀和須狀物的表面形貌。氧