强流脉冲离子束辐照金属材料引发表层缺陷的产生机制研究

本项目以理论计算和实验分析结合方法，探讨钛、镍、钢及其合金材料受强流脉冲离子束（IPIB）辐照在表面所引发的缺陷的产生机制及其后续影响，是IPIB辐照效应研究的核心问题之一，对IPIB表面改性应用具有重要意义，属于强脉冲离子束与物质相互作用的国际前沿性基础研究。近年来IPIB表面改性的研究表明，IPIB在金属材料表面改性具有广泛的应用前景，展现出了其独特的优势。但是在某些条件下，强脉冲离子束作用于金属及其合金材料表面会产生熔坑、裂纹等微缺陷，造成材料性能的下降，这将极大地限制IPIB在金属材料表面改性中的应用。因此本研究试图通过实验分析与理论计算相结合，对金属及其合金在强脉冲离子辐照下的缺陷产生给出原理性的解释。本项目研究还对加深强脉冲离子束与物质相互作用机理的认识、提高强脉冲离子束表面工程技术的质量、发展先进离子束加工技术具有重要的现实意义。

近二十年来随着强脉冲离子束（IPIB）技术发展，关于加速器稳定性提升和脉冲辐照效应等方面开展了大量的研究,在金属材料表面改性等方面展现出了广泛的应用前景。但是IPIB辐照时常会生成熔坑、裂纹等表面缺陷，对材料特性提升造成不利影响。本项目致力于IPIB作用于金属/合金材料表面引发的表层缺陷形成及其演化的动力学机制研究，属于IPIB与物质相互作用的基础研究。鉴于辐照效应与束流特性的高关联度，本研究发展了束流横向分布的红外成像诊断技术，对其适用性和精度进行了论证，实现对IPIB横截面能量密度分布的亚mm空间分辨率和0.1J/cm2能量密度分辨率水平的诊断；结合飞行时间方法与束流发射动力学模型，对束流的动态能谱进行了表征，并结合数值模拟，对束流能量沉积的动态演进进行了研究，并将其应用于束流热效应的分析。通过IPIB在铜、钛、锌、铅、锡和钨金属材料表面的孔洞生成和烧蚀效应实验研究，分析出了材料的烧蚀阈值，进一步掌握了熔坑、裂纹等表面缺陷生成的热力学过程对材料本身性质的影响。基于流体力学模型，采用两相流模型对高粘度高张力系数的液态金属的表面张力牵引效应进行了理论研究，提出了熔坑演进机制，并得到与实验观测具有较好可比性的结果，由此阐述了该类材料在受到强脉冲束辐照时表面的演化趋势，并进而在热力学模型的基础上开展了单晶和多晶硅/铜的实验和理论研究，进一步验证了该质量迁移模型的适用性。