脉冲电子束对晶态金属材料表面改性的各向异性现象及其机理研究

High current pulsed electron beam (HCPEB) is a newly developed technique for surface modifications of materials. It can introduce high density energy into the surface layer of treated materials within microseconds, thus resulting in a series of nonequilibrium physical/chemical processes. Thereby, special surface modification effects can be achieved. Previous investigations showed that HCPEB treatments on metal surfaces have 3 treatment modes, namely, heating, melting and evaporating modes. Under all treatment modes, irregular deformations and grain growth phenomena were observed in the surface layer. As a result, the texture in the surface layer can be modified without changing the shape of the treated materials.Based on the previous experimental and theoritical investigations, the present work attempts to build physical models of orientation dependent temperature and stress fields according to the anisotropic interactions between the electron beam and metal grains. Meantime, several typical single crystalline and polycrystalline metals will be treated by HCPEB under different treatment modes. The treated materials will be investigated from both surface and cross section views by using EBSD and TEM techniques. This is to find the relationships of electron beam generated anisotropic deformations and grain growth behaviors with regard to the grain orientations and the crystallography of treated metals. Based on the experimental investigations and results of temperature field and stress field simulations, the mechanisms of the anisotropic interactions between electron beams with metals will be revealed. The research work will further improve the theory in interaction of high energy pulsed energetic beams with materials.

强流脉冲电子束是一种新型材料表面改性技术，它能够在微秒级内将高密度能量输入材料表层，从而诱发一系列非平衡的物理/化学过程来实现特殊的表层改性效果。研究发现，脉冲电子束对金属表层的改性可分为未熔、熔化和蒸发三种处理模式，而三种模式下均发现金属表层晶粒随其取向不同呈现特殊形变和生长现象，可在不改变材料宏观形状的条件下实现表层织构转变。在总结以往研究结果的基础上，本项目从脉冲电子束与金属材料相互作用随晶粒取向的各向异性出发，建立与晶体取向相关的温度场和应力场理论模型并进行数值模拟；在三种模式下处理几种典型的单晶和多晶金属材料，采用EBSD和TEM手段从表面和截面分析被处理材料，深入研究脉冲电子束诱发的各向异性形变和生长现象与晶粒取向及金属晶体对称性的关系，并结合温度场与应力场计算从本质上揭示脉冲电子束与金属材料相互作用的各向异性现象的机制，研究结果将进一步深化高能脉冲束流与材料交互作用的理论。

本项目从理论上深入研究了脉冲电子束与不同材料相互作用过程的机理，特别是考虑了材料不同晶向上热／物理参数的差别对脉冲电子束诱发温度场及应力场的影响。研究显示，金属材料中不同晶向上导热系数的差别对脉冲电子束诱发温度场的影响较小，而弹性模量、屈服强度、层错能的各向异性对脉冲电子束诱发应力场的影响较大，在不同晶向上由于束缚条件的不同，热应力的差别较大，导致不同取向晶粒产生不同的变形方式。另外，对于脉冲电子束熔化处理模式的理论研究表明，在无相变的条件下，表层的熔化与凝固主要是由基体晶粒的取向所决定的，因此表层织构主要由次表层的形变织构来决定。对于未熔处理模式则表层的晶粒织构由表层应变和回火再结晶状态有关。在以上理论研究的基础上编制了相应的数值模拟程序并对多种材料进行了模拟，对相关的实验结果能够给出较为合理的解释。在实验方面，采用XRD、EBSD和TEM等表征技术研究了FeAl金属间化合物、不锈钢、D2模具钢、纯镁及镁合金等不同晶体类型的材料在脉冲电子束处理下的表面微结构、相组成、织构及应力状态的变化。结果表明表层的应变状态与晶粒大小和取向密切相关。大晶粒内的应变较大，而晶粒的取向转变是从基体到表层的渐变过程，通过位错的不断增加来改变取向。脉冲电子束处理后材料表层的最终应力状态则受到表层在热应力下的应变和相变过程的共同影响。本项目的研究成果为脉冲电子束表面改性的工业应用奠定了理论基础。