強流脈沖離子束特性優(yōu)化及輻照力學效應研究.pdf

1、為了滿足HIPIB輻照材料表面改性需求，開展了磁絕緣離子二極管陽極特性的系統(tǒng)研究，確定了優(yōu)化的輻照工藝參數(shù)。通過HIPIB輻照不同材料的力學效應研究，揭示了輻照表面反沖應力波的形成和傳播機制，以及HIPIB輻照材料表面強化機制，為徹底弄清HIPIB與材料表面的相互作用提供了實驗依據(jù)。 通過對TEMP-6 型和ETIGO-2 型兩種HIPIB裝置陽極聚乙烯膜的壽命研究發(fā)現(xiàn)，TEMP-6 型裝置的絕緣磁場為“閉環(huán)”結(jié)構(gòu)，二極管間隙放

2、電穩(wěn)定，在420 kV 放電電壓下陽極聚乙烯膜可使用 500-700 次。ETIGO-2 型裝置的絕緣磁場為“開環(huán)”結(jié)構(gòu)，二極管間隙放電不穩(wěn)定，在 1100 kV 放電電壓下陽極聚乙烯膜僅可使用2-4次。外磁絕緣離子二極管陽極等離子體的形成基于陽極聚乙烯膜的表面脈沖擊穿放電過程，聚乙烯膜表面發(fā)生電子崩，并形成導電通道，載能電子和離子的多次轟擊導致聚乙烯膜表面粗糙化，聚乙烯分子鏈斷裂形成低分子量物質(zhì)，引起HIPIB束流密度降低，穩(wěn)定性變差

3、。通過改變陽極聚合物材料種類，優(yōu)化二極管結(jié)構(gòu)及放電回路的阻抗匹配，聚合物陽極的穩(wěn)定放電次數(shù)可提高到1000次以上。 采用束流密度 30-1500 A/cm<'2>，輻照次數(shù)1次的HIPIB輻照純金屬Ti和Al，被輻照表面的粗糙度R<,a>隨束流密度增加而增大，200A/cm<'2>輻照條件下，兩種金屬的R<,a>分別從原始的 0.181μm和 0.164 μm 增加到0.693 μm和0.372 μm。通過輻照和沉積實驗證明了表

4、面微凸被優(yōu)先加熱而發(fā)生選擇性燒蝕，產(chǎn)生液滴噴射現(xiàn)象，導致形成具有燒蝕坑和波紋狀擾動的燒蝕表面形貌。隨束流密度增加液滴噴射現(xiàn)象加劇，造成被輻照表面顯著的粗糙化。 采用 10 MHz 的壓電陶瓷—鋯鈦酸鉛(PZT)壓電晶體傳感器，對束流密度30-400A/cm<'2>的HIPIB 在純金屬Al，Ti，Cu，以及耐熱鋼基體上等離子體噴涂的ZrO<,2>熱障涂層(TBC)等材料中誘導的應力波進行了實時動態(tài)測量，隨束流密度從100 A/c

5、m<'2> 增加到400 A/cm<'2>，金屬Al中的應力波強度從2 MPa增加到約80 MPa。350 A/cm<'2>、1-10 次輻照條件下，金屬 Al、Ti 和 TBC 中的應力波強度分別為70-90 MPa、27-40 MPa和15-20MPa。應力波的HIPIB誘導機制包括熱彈性機制和反沖機制，分別形成熱彈性波和反沖應力波。形成的應力波波形具有雙峰結(jié)構(gòu)，其中僅反沖應力波的強度隨束流密度的增加顯著增大。相同輻照條件下，低熔點

6、材料因燒蝕劇烈而形成較強應力波，高熔點材料則應力波強度減弱，TBC的組織結(jié)構(gòu)和界面特性造成應力波衰減和寬化。采用束流密度 100-350 A/cm<'2>，輻照次數(shù)1-10次的HIPIB輻照純金屬Cu，隨束流密度和輻照次數(shù)增加，被輻照表面的粗糙度 R<,a>先減小后增大，100 A/cm<'2>、1次輻照條件下 R<,a>從原始的0.12μm減小到0.09 μm，350 A/cm<'2>、10次輻照條件下達到最大，約0.51μm。被輻照

7、表面的顯微硬度則呈現(xiàn)遞增趨勢，350 A/cm<'2>、10次輻照條件下表面顯微硬度增加幅度最大，約70％。輻照形成的硬化層深度在100 A/cm<'2>、10次條件下約為100 μm，350 A/cm<'2>、10次條件下增大到300 μm。HIPIB輻照金屬Cu造成表面位錯、孿晶等缺陷增加和晶粒細化的強烈沖擊硬化效應，歸結(jié)為表面應力及反沖應力波的形變強化作用機制。HIPIB 輻照金屬Cu的球-盤式摩擦磨損實驗表明，磨合階段持續(xù)時間受

8、被輻照表面粗糙度和硬度的影響，穩(wěn)定磨損階段的摩擦系數(shù)則受硬化層硬度和深度的影響。350A/cm<'2>、10次輻照條件下，金屬Cu表面的摩擦系數(shù)從原始試樣的0.9減小到0.45，磨痕深度則從 20 μm 減小到 0.8 μm，耐磨性顯著提高。 采用束流密度100-350 A/cm<'2>，輻照次數(shù) 1-10次的HIPIB輻照Al-Cu合金，隨束流密度和輻照次數(shù)增加被輻照表面粗糙化，350 A/cm<'2>、10 次輻照條件下R<

9、,a>達到最大，約0.5μm。Al-Cu 合金表面形成界面平直的熔融層，厚 5-6.5 μm，熔融層硬度隨束流密度增加而增大，隨輻照次數(shù)的變化不顯著，350 A/cm<'2>、1次輻照條件下熔融層硬度增加幅度最大，約50％。輻照形成的硬化層深度在100 A/cm<'2>、10 次條件下約為50 μm，350A/cm<'2>、10次條件下增大到150 μm。HIPIB輻照Al-Cu合金造成熔融層中Cu原子過飽和固溶于Al基體，以及位錯等缺