脉冲电子束作用于非均匀金属材料的多尺度耦合现象及其机制研究

强流脉冲电子束是一种新型的材料表面改性技术，通过快速的能量输入可在材料表层诱发一系列非平衡物理/化学过程。研究发现，脉冲电子束在不同能量下可在材料表面诱发多种特殊效应，如表面净化、表面纳米化、表面选择蒸发等。在总结以往大量实验结果的基础上，本项目首次提出了脉冲电子束与非均匀材料相互作用的多尺度耦合效应，即电子束能量输入与非均匀材料某一尺度相匹配时可诱发显著的改性效果。利用脉冲电子束与非均匀金属材料的多尺度耦合诱发的各种效应可提高材料的表面性能，如硬度、耐磨性、耐蚀性等。本项目将建立相关的理论模型，采用数值模拟方法对多尺度耦合效应进行计算，探索其物理机制，通过设计实验来验证并优化理论模型，再结合以往研究结果则可建立脉冲电子束与非均匀材料相互作用的统一模型，从而为强流脉冲电子束金属材料表面改性的工艺发展奠定理论基础。

本项目在理论研究方面，针对脉冲电子束与金属材料表面相互作用过程的特点，建立了以多尺度耦合原理为基础的物理模型，并将其数值化，实现了对脉冲处理过程中温度场较为准确的模拟，特别是在被处理合金材料表层存在蒸发的条件下，不同合金元素的蒸发速率不同，从而导致表层产生选择蒸发效应。采用温度场与浓度场耦合的方法，同时考虑由于选择蒸发效应带来的合金成分变化以及由浓度差产生的扩散过程，建立了新的模型并对AZ31镁合金、NiTi合金和Ti48Al2Cr2Nb合金的脉冲电子束处理进行了数值模拟，并获得了低脉冲次数下与实测成分曲线与实际曲线符合较好的结果，并分析了高脉冲次数下产生偏差的原因。在实验研究方面，对脉冲电子束碳钢材料的表面改性进行了深入研究，指出了表层火山坑形成的机制，主要是由于碳化物与铁素体基体的导热性差异，从而导致界面处能量积累，最终熔化并喷发形成火山坑状形貌，多次轰击可使表层成分与组织均匀化，从而减少火山坑的数量，这对于指导钢铁材料脉冲电子束表面改性具有重要指导意义。另外，对45#碳钢的脉冲电子束表层改性进行了深入研究，利用XRD和穆斯堡尔谱方法对其退火态和淬火态样品的脉冲电子束表面处理层进行了相组成研究，结果表明，退火态样品表层不均匀，在处理后富碳的珠光体将转化为残余奥氏体与马氏体组织，而淬火态样品表层的细小碳化物可在脉冲处理过程中熔解，表层最终为均一的马氏体组织。此外，本项目首次提出了采用轧制结合脉冲电子束后处理的方法在316L不锈钢表面生成超细奥氏体晶粒，并采用EBSD结合XRD的表征方法阐明了脉冲电子束在316L不锈钢表面诱发奥氏体相变的过程及其对超细晶层形成的影响机制。以往的研究表明脉冲电子束对不锈钢表面直接处理无法获得晶粒细化的效果，仅能除去表面的一些第二相夹杂物。不锈钢在轧制后由于应变诱发马氏体而获得硬化效果，但是表层马氏体的存在会大大降低不锈钢的耐蚀性能。将轧制与脉冲电子束表面处理相结合则不仅可以获得硬化的不锈钢基体，还可以获得表面超细奥氏体层，从而提高材料的整体性能。另外，在316L不锈钢表面脉冲电子束合金化Ti可以得到奥氏体与铁素体混合的纳米层。以上的研究结果为脉冲电子束金属表面改性的工业应用奠定理论基础。