强流脉冲离子束辐照热力耦合作用下AISI52100 钢的相结构演化及其对抗腐蚀性能的影响

AISI52100 steels are widely used in mechanical manufacturing and traffic transportation for important bearing materials, however, with the science and technology progress, bearing materials face challenge associated with high specific strength, high stiffness, high temperature resistance and corrosion resistance. Under some rigorous working conditions, AISI52100 steels are characterized by poor corrosion resistance, which have hindered their service life and application area. In the present research, high-intensity pulsed ion beam (HIPIB) is used to irradiate AISI52100 steels in order to study the phase formation and transformation mechanism of the irradiated surface under the coupled thermal-dynamic effects, discussing the evolution law of phase structure, and improving the corrosion resistance of AISI52100 steels surface. The purpose of this item is to reveal the effect of irradiation parameters on the phase structure and corrosion resistance, understanding the modification mechanism in corrosion resistance, providing support to expand the application area of AISI52100 steels and HIPIB technology.

AISI52100钢是应用于机械制造、交通运输等领域中的重要轴承材料。然而，随着科学技术的不断进步，对轴承材料的要求越来越高，并向高比强度、高刚度、耐高温、耐腐蚀等方向发展。在某些苛刻工况下如腐蚀性介质中，AISI52100钢通常呈现出较差的耐蚀性，极大限制了其使用寿命和应用范围。本项目采用大面积强流脉冲离子束技术，研究热-力耦合作用下AISI52100钢辐照改性层相结构的形成和转变机制，探明HIPIB辐照表面相结构演化规律，获得耐蚀性能改善的工程表面；揭示辐照工艺参数对AISI52100钢相结构和腐蚀性能的影响，弄清HIPIB辐照AISI52100钢耐蚀性能的改善机理，为拓展AISI52100钢的应用领域和HIPIB技术的应用领域提供支撑。

AISI52100钢是应用于机械制造、交通运输等领域中的重要轴承材料。在某些苛刻工况下如腐蚀性介质中，AISI52100钢通常呈现出较差的耐蚀性，极大限制了其使用寿命和应用范围。本项目利用强流脉冲离子束技术，进行直接辐照AISI52100钢耐蚀改性研究。结果表明，HIPIB辐照AISI52100钢表面形成了以局部烧蚀坑和熔融扰动为主要特征的烧蚀形貌，200A/cm2束流密度下，表面粗糙度随着辐照次数的增加呈现先增加后减小的可控光滑化特征，原始试样表面粗糙度为0.137，经HIPIB 5次辐照后表面粗糙度降为0.121。增大束流密度到300A/cm2，虽然1-5次辐照表面粗糙度仍然呈现先增大后减小趋势，但10次辐照导致了粗糙度突然增加到0.215。XRD分析表明，高能量密度沉积的快速熔凝效应使得表层原子结构发生了改变，原始试样是体心立方相结构，辐照后表层相结构发生了从体心到面心的转变，同时， HIPIB辐照导致了衍射峰向高角偏移和宽化，表明了辐照试样改性层产生了压缩应力和显微结构的细化。原始试样在0.01mol/L NaCl溶液中的开路电位为-600mV左右，辐照后开路电位最高提高到约-340mV左右，提高约260mV。被辐照试样具有明显优于原始试样的动电位极化性能，表现为腐蚀电位的显著提高和腐蚀电流密度的降低。200 和300A/cm2两种束流密度下，同样是10次辐照试样的动电位极化性能最好，这主要由于重复多次辐照导致形成了更多耐蚀性好的奥氏体相。电化学阻抗谱表明，原始和辐照试样在高频区和中频区均呈现容抗弧，而原始试样在低频区出现了感抗弧，说明发生了点蚀反应，且辐照后试样的容抗弧直径显著增大，表明电极反应阻力增大，电极腐蚀速率减小，抗腐蚀性能增强。辐照后AISI52100钢抗腐蚀性能的改善主要归因于被辐照表面相结构的转变、显著的晶粒细化、化学成分的均匀化和显微结构致密化。