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纳秒强流脉冲电子束强化金属表面的研究
第 22卷 第 1期 原 子 核 物 理 评 论 Vo1.22.No.1
2005年 3月 NuclearPhysicsReview Mar.,2005
文章编号:1007—4627(2005)o1—0118—04
纳秒强流脉冲电子束强化金属表面的研究
刘志坚,乐小云,江兴流
(北京航空航天大学理学院,北京 100083)
摘 要:利用多极板赝火花放电装置产生的高功率脉冲电子束对不同类型的钢,如45,65Mn,
9crl8和GCrl5等进行轰击,研究其在金属材料表面改性中的应用.样品表面的显微硬度和
,
耐腐蚀性测试结果以及扫描电子显微镜(SEM)的观察分析表明,经电子束轰击后,这些材料在结
构、组织和性能上发生了明显的变化,轰击中心区域的显微硬度和耐蚀性明显提高.基于一维热
传导方程对材料表面的冷却速率进行了估算,对 电子束与金属材料 的作用过程进行了理论分析.
结果表明,高功率密度脉冲电子束与金属材料相互作用,表面冷却速率高达 1.2×10~C/s,使材
料表面局部瞬间达到熔化,产生骤热急冷过程.
关 键 词:赝火花;脉冲电子束;表面改性
中图分类号 :TL99 文献标识码:A
1 引言 材料表面改性中应用-
对金属材料性能的改善主要取决于晶粒度的大 2 试验
小,而晶粒度的大小主要取决于加温时间和冷却速 利用多极板赝火花放 电装置产生的强流ns脉
率.加热时间越短,冷却速度越快,晶粒度越小, 冲电子束轰击金属表面.脉冲电子束的能量20—60
金属材料的表面性能越好.传统的工艺方法都是加 keV,脉冲次数 l—l000次,脉冲频率 l Hz,保
温时间长,冷却速度慢.近代脉冲电子束的迅猛发 护气体为氮气,室内真空度 l0Pa.多极板放 电室
展,把它应用于金属热处理,可称作是热处理工艺 是赝火花放电装置的主要部分,它由一系列具有中
上的一个重大变革,它克服了传统工艺上的弊端,
心孔的圆形金属极板和环形绝缘片粘结而成.实验
其作用机理与激光技术基本相似 ,而且比激光热处 材料采用各种类型的钢 ,如45,65Mn,T8,9Cr18
理有更多的优越性:(1)处理的样品变形小,对精 和GCrl5等,加工成 615lllln,厚度 1-3mm的圆
密微处理非常有益;(2)电子束的能量转换效率比
片,表面抛光.轰击后的样品用 S-530型扫描电镜
激光高;(3)不受材料对光反射性的影响;(4)电子
和ⅪB.1型金相显微镜观察样品表面形貌,使用
处理的深度可以通过改变电压调节.因此,很多激
HV-5型维式硬度计测试样品的显微硬度.
光热处理工艺可能被电子束热处理所代替.短脉冲
粒子束发生设备— 低气压赝火花放 电室 ¨’,可 3 结果与讨论
以产生束流密度约为 10。A/cm ,功率密度约为 1O
W/cm 的高重复率的脉冲电子束,而且脉冲时间 图1给出了45钢在外加电压44kV,脉冲数
短.本文研究了利用多极板赝火花放电装置产生的 30次的单点轰击下的扫描 电镜 图.用高倍扫描 电
强流脉冲电子束对不同类型的钢,如45,65Mn, 镜观察,发现在电子轰击区,显微形貌发生了巨大
T8,GCrl5和9Cr18等进行了轰击,研究其在金属 变化,呈现出非常粗糙的急冷组织结构.轰击 中心
收稿 日期 :2004—08.31
+ 基金项 目:航空科学基金资助项 目(00G51004)
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