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1、沈阳理工大学 硕士学位论文 强流脉冲离子束辐照45钢靶表面热力学效应数值模拟 姓名：万柄男 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：张罡 20090301 沈阳理工大学硕士学位论文 摘 要 强流脉冲离子束(HIPIB: High Intensity Pulsed Ion Beams)表面改性技术是利用 高能束流辐照材料表面时，瞬间内在材料表面沉积高密度能量，引起材料表面快 速加热和快速冷却，在表面快速熔化，汽化的同时，在材料表面及内部还产生热 应力与冲击波，导致材料表面相结构、显微结构、表层硬度、耐磨性和耐蚀性等 变化。由于其自身的诸多优点，该技术在材料领域越来越受到重视。 为了揭示
2、强流脉冲离子束辐照材料表面的热力学效应，在研究离子束与物质 相互作用的基础上，计算不同离子在材料表面的能量沉积分布，并建立了离子束 与靶材相互作用的理论模型。在建立了热力学效应方程的基础上，运用 ABAQUS 有限元软件，对靶材在不同能量参数下的 HIPIB辐照进行热力学效应的模拟计算。 通过比较，建立了以单元死活表征汽化材料的加载方式来模拟 HIPIB 辐照靶材表 面。 模拟计算了离子束与钢靶相互作用的热力学效应，得到了温度场分布、温度 梯度分布，以及应力与应力波传播过程的模拟计算结果，结果表明辐照后材料表 面在极短时间内发生了剧烈的温度与应力变化。束流密度是影响靶材表层材料升 温速率的主要
3、因素，而脉冲电压对升温速率的影响并不明显；同时束流密度的增 大可以使靶材表层在辐照方向得到较高的温度梯度；当 H I P I B能量较高时，靶材 表层和内部材料几乎同时发生汽化，并伴随剧烈的应力变化，在靶材表面形成蚀 坑。 通过实验分析得出，在 HIPIB 辐照后，靶材表面出现蜂窝状重熔形貌，其显 微硬度显著提高，验证了模拟结果与实验现象相吻合。随着脉冲次数的增加表面 表现出不同的形貌差异。 关键词：强流脉冲离子束；热力学效应；表面改性；ABAQUS 沈阳理工大学硕士学位论文 Abstract The high intensity pulsed ion beams (HIPIB) is the
4、 metal surface modification technology that the material irradiated by high- power ion beam, high power- density is deposited on the material surface in a short time, then the material surface melt, evaporation, thermal- stress, shock wave occurred because of prompt heating and cooling. The results
5、showed that surface layer structure, microstructure, surface rigidity, resist abrasion and resist corrosion improved. Because of being have many advantages for high intensity pulsed ion beams, it has been pay more attention to the field of materials. In order to study the thermal- mechanical effect
6、on metal surface irradiated by high intensity pulsed ion beams, energy disposition distribution was calculated after the interaction of high intensity pulsed ion beams with target made a discussion in theory, then a model for the interaction of high intensity pulsed ion beams with target is describe
7、d. Based on thermal- mechanical equation, the thermal- mechanical effects on the target surface irradiated by HIPIB with different power density is simulated using the ABAQUS software. Heat Flux Mode using Element removed and reactivated method imitating the vaporized material is built to simulate t
8、arget surface irradiated by HIPIB. The thermal- mechanical effects on the target irradiated by the HIPIB are simulated numerically. The calculation results, such as temperature field, temperature gradient distributions, stress and shocks are discussed. It has been shown that it has a great change of
9、 temperature and stress on metal surface in a short time. The simulation shows that, current density is the main factor which influents the temperature increasing velocity during the irradiated state, and the change of pulse voltage doesn t change the heating rate markedly. With the increasing of th
10、e current density, the temperature gradient in the irradiated direction is getting higher. Irradiated with high power density, 沈阳理工大学硕士学位论文 the target surface and inner material vaporized almost simultaneously, and had a great change of stress, therefore, form a crater on the target surface. Experim
11、ent indicates that, after irradiated by HIPIB, the honeycomb appearance has appeared on the target surface, and the hardness of honeycomb is increased clearly, this phenomenon agrees well with the simulation result, and the increase of pulse frequency leads different appearance. Key words: HIPIB; th
12、ermal- mechanical effects; surface treatment; ABAQUS 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明: 本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者 本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者（签字）： 日 期 ： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论
13、文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 第 1 章 绪 论 1 第 1 章 绪论 1.1 强流脉冲离子束介绍 强流脉冲离子束(HIPIB: High Intensity Pulsed Ion Beams)通常是指离子能量 E = 105- 107eV， 脉冲宽度小于 1s， 离子束流密度 J 大于 1
14、 A/cm 2， 功率密度 P = 107- 1014 W/cm2的离子束1；亦称之为强脉冲离子束(Intensive pulsed ion beamIPIB)或高功 率离子束(High power ion beamHPIB ) 。 强流脉冲离子束技术近年来应用于材料表面工程研究领域，正在发展成为一 种新的材料改性技术，显示出了传统离子束技术不具备的优点，是一个新的研发 领域25。这项二十世纪七十年代末发展起来的核技术，利用其处理金属时的超快 加热、熔融、固化等特性，在金属材料表面改性、制备薄膜和合成纳米粉末材料 等方面显示了良好的应用前景6,7。由于强流脉冲离子束能量在时间和空间上高度 集中
15、使材料发生了传统离子束不能引起的变化，对金属材料在改善硬度、耐磨损、 腐蚀、抗疲劳等性能方面具有显著作用58。 强流脉冲离子束与材料交互作用时，有如下特征: 1 ) H I P I B辐照金属材料，可在瞬间实现材料表面的高能量密度沉积，材料表 面的瞬间热积累使表面升温速率高达 1081011K/s、 形成表面的熔化、 气化和烧蚀， 甚至形成二次烧蚀带来的等离子体。同时由于辐照后改性层的冷却速度达到 108 109K/s，从而导致快速凝固和冷却的过程的实现，形成非晶和准晶等非平衡结构。 2 ) 由于材料表层的温度在时间和空间上的高度变化率，还产生热应力与冲击 波6,7，使材料表层各种缺陷和密度显
16、著增高，并且冲击波可以传播到材料表层的 内部，在几百微米处形成晶体缺陷，提高显微硬度，从而具有“长程”硬化作用。 3 ) 同常规离子注入相比, H I P I B影响深度为离子注入的 3 4个数量级；同激 光电子束等高能束流相比，H I P I B具有能量转换效率高（1 5 4 0 ） ，作用面积 大（102103cm2）等特点9,10。 由于具有上述特点，导致了辐照材料表面的相结构、显微结构、表层硬度、 沈阳理工大学硕士学位论文 2 耐磨性和耐蚀性等的变化和改善，因此 HIPIB 技术具有良好的应用前景。 根据采用的工作参数范围及表面处理后的效果不同，可将目前的离子束表面 处理技术分为以下几种类型: 1 ) 金属材料辐照表面改性 与常规离子注入的金属表面改性工艺不同， H I P I B 粒子种类本身已不是最重要 的参数，而应把它当作一种载能束。 H I P I B 短时间内在注入粒子射程内产生高密度 能量沉积，随着注入能量密度的增加，材料表层被强烈地加热而急速升温，熔融， 蒸发/ 烧蚀
