強(qiáng)流脈沖離子束輻照TA1與TC4表面形貌特征

孫崇波，張 鳳，陳占興，張 罡，王龍晨

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 中俄聯(lián)合高能束流實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110159;2.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200)

強(qiáng)流脈沖離子束輻照TA1與TC4表面形貌特征

孫崇波1，張 鳳1，陳占興1，張 罡1，王龍晨2

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 中俄聯(lián)合高能束流實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110159;2.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200)

強(qiáng)流脈沖離子束(HIPIB)以其高密度能量沉積的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在材料表面改性上。本實(shí)驗(yàn)采用用強(qiáng)流脈沖離子束脈沖輻照工業(yè)純鈦TA1與鈦合金TC4，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：束流結(jié)構(gòu)為70%C++30%H+，加速電壓為250kV，束流密度為170～200A/cm2，束流脈沖寬度為80ns。分別研究5次、10次、15次和20次輻照下表面形貌特征。結(jié)果表明：輻照后材料表面在熱力學(xué)作用下先后形成帶狀發(fā)亮“山脊”及環(huán)狀起伏形貌；在表層選擇性燒蝕作用下形成內(nèi)部光滑的凹坑，在亞表層噴發(fā)作用下有中間帶空洞的凹坑產(chǎn)生；隨著輻照次數(shù)的增加，材料表層及亞表層的成分及結(jié)構(gòu)趨于均勻，熱傳導(dǎo)及力學(xué)作用亦趨于穩(wěn)定平衡，TA1表面起伏和凹坑逐漸減少甚至消失，逐漸趨于光滑；由于相界的存在，TC4表面還有少數(shù)相界處選擇性燒蝕及噴發(fā)所形成凹坑。

強(qiáng)流脈沖離子束;TA1;TC4;凹坑

強(qiáng)流脈沖離子束(HIPIB:High-Intensity Pulsed Ion Beam)指的是脈沖寬度小于1μs，能量可達(dá)上百KeV甚至MeV的離子束，強(qiáng)流脈沖束流能量密度可達(dá)幾十A/cm2甚至幾百A/cm2，在靶材表面的射程小于10μm。由于離子束流攜帶著大量的能量，在入射靶材表面時(shí)，會(huì)在靶材表面實(shí)現(xiàn)高密度的能量沉積，使靶材表面急劇升溫(108～1011K/s)、急劇降溫(108～109K/s)，在靶材表面發(fā)生顯著熱量、質(zhì)量與動(dòng)量的傳輸，導(dǎo)致靶材表面表面形貌、化學(xué)成分、結(jié)晶狀態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)的變化。從而導(dǎo)致靶材表面的摩擦性能、耐腐蝕性能、顯微硬度等性能發(fā)生變化[1-4]。

材料表面輻照后，在熔化凝固區(qū)域會(huì)出現(xiàn)細(xì)晶，甚至非晶和納米晶等非平衡組織，從而導(dǎo)致表面性能的變化；但是，束流與材料表面交互作用的熱學(xué)和力學(xué)效應(yīng)，將會(huì)導(dǎo)致表面出現(xiàn)凹坑等表面典型形貌，影響材料的相關(guān)力學(xué)性能。

前期研究表明，不同材料表面凹坑具有不同的形成機(jī)理[5-7]，對(duì)于鈦合金表面凹坑的形成機(jī)理依然存在不同的解釋[8-10]，本文針對(duì)工業(yè)純鈦和鈦合金，實(shí)驗(yàn)研究典型輻照參數(shù)下，不同相結(jié)構(gòu)和化學(xué)成份材料表面凹坑的形成機(jī)理及形貌變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)利用沈陽(yáng)理工大學(xué)中俄聯(lián)合高能束流實(shí)驗(yàn)室TIA-450型離子加速器輻照TA1工業(yè)純鈦(φ15mm×10mm)與TC4鈦合金(φ8mm×10mm)試樣，其各自化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1和表2所示。兩組試樣的輻照次數(shù)分別為5、10、15和20次，用德國(guó)蔡司Axiovert200MAT金相顯微鏡分別觀察兩組試樣輻照前后的表面形貌變化，并對(duì)表面形貌變化進(jìn)行分析。

表1 TA1與TC4的化學(xué)成分 wt%

表2 TA1與TC4的力學(xué)性能

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 輻照前表面形貌

圖1為輻照前TA1與TC4的表面形貌，TA1由α相構(gòu)成，TC4由黑白相間的α相與β相共同構(gòu)成。

2.2 輻照后表面形貌

5次輻照TA1與TC4后的表面形貌如圖2所示。

5次輻照后(圖2a、2b)，兩種靶材表面在高溫作用下均沿著劃痕方向發(fā)生了重熔及后續(xù)快速凝固，在靶材表面形成了帶狀發(fā)亮的“山脊”。這種起伏形貌是每次輻照后快速凝固時(shí)離子沖擊溫度和沖擊力不均勻分布的累積結(jié)果。劃痕產(chǎn)生的表面微觀起伏的幾何不均勻性增加了起伏發(fā)生的趨勢(shì)，并且劃痕方向與帶狀起伏具有顯著的位向關(guān)系。

5次輻照后，材料表面還存在平均直徑約5μm的凹坑。由于每次輻照入射離子及能量在靶材表面分布不均，導(dǎo)致表面溫度分布不均勻[11-12]，表面溫度較高位置會(huì)在高溫作用下優(yōu)先燒蝕，并且，晶界與相界處存在低熔點(diǎn)元素夾雜與空位等缺陷相對(duì)集中，也會(huì)誘發(fā)熔化表面優(yōu)先燒蝕，燒蝕等離子體體積迅速膨脹噴發(fā)，同時(shí)產(chǎn)生反沖應(yīng)力，在融化的下表層形成凹坑，而快速凝固金屬來(lái)不及回填，形成內(nèi)部較為光滑的凹坑。

圖1 輻照前表面形貌

圖2 5次輻照后表面形貌

前期研究表明，HIPIB輻照會(huì)導(dǎo)致熔化層局部的亞表層過(guò)熱，這種過(guò)熱具有更高的溫度和像外表面的壓力[13-14]，從而引起亞表層過(guò)熱液態(tài)部分穿過(guò)最外層金屬液向外火山式噴發(fā)，快速凝固后在材料表面留下火山口狀的凹坑，這種凹坑具備內(nèi)部核心噴發(fā)后填充的空洞。

5次輻照后，兩種材料輻照形貌基本相同，說(shuō)明單相和雙相的材料結(jié)構(gòu)對(duì)輻照形貌基本沒(méi)有影響，入射離子在材料表面引發(fā)的熱力學(xué)效應(yīng)和材料表面的幾何不均勻性影響著材料表面的輻照形貌。

10次輻照TA1與TC4后的表面形貌如圖3所示。10次輻照后，兩種材料表面帶狀發(fā)亮山脊均消失，取而代之的是環(huán)狀起伏。

隨著輻照次數(shù)的增加，材料表面的幾何不均勻性在燒蝕作用下逐漸消失；入射離子裹挾的離子團(tuán)簇作用在熔融金屬表面，表層及亞表層噴發(fā)產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波作用在熔融金屬表面，均會(huì)造成金屬液擾動(dòng)，形成環(huán)狀形貌起伏。

在10次輻照后的凹坑形式與5次輻照基本相同，說(shuō)明該輻照次數(shù)下，凹坑形成的機(jī)理依然是選擇性燒蝕和亞表層過(guò)熱。

15次輻照TA1與TC4后的表面形貌如圖4所示。15次輻照后，兩種材料表面凹坑及起伏數(shù)量減少，表面較為平整。

輻照次數(shù)增加，隨著燒蝕與噴發(fā)的進(jìn)行，材料表層及亞表層的成分及結(jié)構(gòu)趨于均勻，熱傳導(dǎo)及力學(xué)作用亦趨于穩(wěn)定平衡，由其引發(fā)的燒蝕與噴發(fā)也就隨之減少，造成凹坑與起伏減少，導(dǎo)致表面較之前平整。

20次輻照TA1與TC4后的表面形貌如圖5所示。20次輻照后，TA1表面變平整，凹坑、起伏等表面形貌消失；但是，TC4表面仍有少數(shù)凹坑存在。

圖3 10次輻照后表面形貌

圖4 15次輻照后表面形貌

圖5 20次輻照后表面形貌

輻照次數(shù)達(dá)到20次后，表層和亞表層的成分和結(jié)構(gòu)更趨于均勻，導(dǎo)致力學(xué)作用及熱傳導(dǎo)趨于穩(wěn)定平衡，引發(fā)的燒蝕和噴發(fā)減少，表面凹坑數(shù)量減少且形貌起伏程度降低，表面變的更加平整。但是，TC4同TA1相比，凹坑依然存在，說(shuō)明同單相界面的TA1相比，TC4試樣的兩相界面存在成分和微觀缺陷上的差異，導(dǎo)致選擇性燒蝕與噴發(fā)，致使表面凹坑依然存在。說(shuō)明兩相相界的存在依然是誘發(fā)選擇性燒蝕和凹坑形成因素。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)HIPIB輻照后，由于HIPIB的高密度能量沉積，TA1與TC4表層及亞表層發(fā)生燒蝕、熔化和快速凝固，形成表面起伏及凹坑形貌。

(2)隨著輻照次數(shù)增加，表層與亞表層成分、結(jié)構(gòu)趨于均勻，熱力學(xué)作用趨于穩(wěn)定平衡，引發(fā)的選擇性燒蝕與噴發(fā)減少，凹坑與表面起伏隨之減少，表面較之前平整。

(3)靶材表面凹坑是由燒蝕等離子體反沖形成的，而在表面化學(xué)成分與幾何結(jié)構(gòu)不均勻性程度較低的情況下，雙相界面的存在成為凹坑形成的重要因素。

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SurfaceMorphologyofTA1andTC4IrradiatedbyHigh-intensityPulsedIonBeam

SUN Chongbo1,ZHANG Feng1,CHEN Zhanxing1,ZHANG Gang1,WANG Longchen2

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Jiangsu Ya Wei Machine-Tool Co.,Ltd.,Yangzhou 225200,China)

High-Intensity Pulsed Ion Beam (HIPIB) has been widespreadly used in the modification of material surface due to its high power density and high energy deposition density.TA1 commercially pure titanium and TC4 titanium alloy were irradiated by HIPIB (constituted by 70% carbon ions and 30% proton) with 250 kV acceleration voltage,170-200 A/cm2current density and 80 ns pulse duration in this work to investigate the material’s morphology.The number of irradiation is 5,10,15 and 20 respectively.It is noted that zonal light“ridge”and annular fluctuation morphology are formed on surface of TA1 and TC4 under the thermodynamic function of irradiation;Smooth craters are formed under selectivity ablation and craters that contain caves are formed too under near-surface layers eruption.The composition and structure of surface and near-surface layers tend to be more uniform and heat conduction and the mechanical effect tend to be at equilibrium with the irradiation number increase.The number of fluctuation and crater on the surface of TA1 decreases,and the surface tend to be smooth;On the of TC4,there are a few craters formed from near-surface layers selectivity ablation and eruption due to the existence of phase boundaries.

HIPIB;TA1;TC4;crater

2013-10-28

孫崇波(1988—)，男，碩士研究生；通訊作者：張罡(1963—)，男，教授，博士，研究方向：材料表面先進(jìn)改性技術(shù).

1003-1251(2014)05-0058-05

TG174.44

A

馬金發(fā))