强流脉冲电子束表面改性的物理模型及数值模拟Ξ-强激光与粒子束.PDF

　第 15 卷 　第 7 期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol. 15 ,No. 7 　 　2003 年 7 月 HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS Jul. ,2003 　 ( ) 文章编号 2003 强流脉冲电子束表面改性的物理模型及数值模拟 秦 　颖 , 　吴爱民 , 　邹建新 , 　郝胜智 , 　刘 　悦 , 　王晓钢 , 　董 　闯 ( 大连理工大学 三束材料改性国家重点实验室, 物理系, 辽宁 大连 116024) 　　摘 　要 : 　推导出了强流脉冲电子束处理过程的应力场方程 ,利用数值模拟 ,得到了温度场和应力场的分 布曲线 ,分别给出了熔化深度、升降温的速率及温度梯度的大小 ,准静态应力和热应力波的幅值、应力波的传播 及反射过程 ,利用数值模拟结果对实验中观察到的实验现象 熔化深度、材料表层及次表层数微米范围内组 织结构的变化及数百微米的硬度提高等给出了解释。 　　关键词 : 　强流脉冲电子束 ; 数值模拟 ; 热应力波 　　中图分类号 :TM836 ;TL503 　　　　文献标识码 :A ( ) 　　能量束 电子束、离子束、激光束 和等离子体等表面改性技术 ,在短时间内提供很高的能量密度沉积在材 料的表面 ,这种辐射作用引起了材料表面的快速加热、熔化和蒸发以及随后的快速凝固 ,这就能够使材料表面 成分、组织结构和性能实现预期的变化[1～5 ] 。这些高新技术涉及到高能密度物理、流体动力学、等离子体科学、 热弹性力学和材料科学等许多领域。 　　利用俄罗斯 Nadezhda2 强流脉冲电子束源 ,我们先后进行了大量的实验研究 ,如纯铝表面改性[6 ] ,对 Ti 离 子注入 9Cr18 钢采用强流脉冲电子束进行表面后处理[7 ] ,纯铝的电子束表面渗碳以及对模具钢的表面强化处 [8～9 ] 理等实验研究 。发现其热影响区为微米量级 ,但改性深度达到数百 μ m ,主要作用机制是应力波的产生与 传播。由于温度场及应力场的瞬时性 ,难以从实验上测定 ,只能采用数值方法来模拟改性过程和后续的观察来 ( ) 进行推测。因此根据对大量实验现象的分析与总结 ,通过理论分析 ,建立了强流脉冲电子束 IPEB 处理过程热 效应的物理模型 ,并进行数值模拟。 1 　物理模型 1. 1 　能量分布 　　电子在固体中穿行时具有一定的射程 ,即电子在固体中的最大平均穿行距离。电子的射程是从碰撞表面 到电子完全失去其能量的垂直距离 ,它仅由电子的能量和物质的密度决定 ,如下式所示[10 ] - 12 2 ρ ( ) r ≈2. 1 ×10 U / , 　10keV ≤eU ≤100keV 1 其中 r ( ) U (