强流离子束对金属表面强化的研究进展

(SKLT0506) 万方数据 第12期 陈卓君等：强流离子束对金属表面强化的研究进展。 245 化，并且冲击波可以传播到材料表层的内部，在几百微米处形成晶 体缺陷，提高显微硬度，从而具有“长程”硬化作用旧，同常规离子注 入相比，HIPIB影响深度为离子注人的(3—4)个数量级；同激光电子 束等高能柬流相比，HIPIB具有能量转换效率高(1孓40物，作用面积 大(IIY—103)em2等特点阳，因此HIPIB技术具有良好的应用前景。 3强流脉冲离子束在国内外的研究进展 国内对强流脉冲离子束表面改性的研究是从近十年内开展 起来的，以北京大学重离子物理研究所、西北核物理研究所、大连 某大学三束材料改性国家重点实验室和北京航空航天大学为主 相继进行了强流脉冲离子束和金属材料交互作用的机理研究，其 中西北核物理研究所以箍缩反射型离子二极管式强流脉冲设备 的研制和性能参数的测试为研究对象，其它单位以磁绝缘式二极 管强流脉冲离子束对金属表面辅照热一力效应的模拟和分析为 研究对象，对HIPIB表面强化的机理进行了系统的研究，取得了 有价值的研究结果。 西北核物理研究所在2000年研制了一台小型强流脉冲离 子加速器，主要的粒子为质子和一定比例的C+、C2+、CH+、 CH2+等171，随后进行了高功率脉冲离子束产生及诊断技术的研 究，对黑体x射线在材料中的热一力学效应进行了模拟计算。获 得了50kA的脉冲质子柬；在220kA的加速器装置上获得了离子 束最大峰值2．IKA，脉宽20ns，离子能量5．5J，最大离子产生率 达到6．2％的结果。为我国自行研制大型强流脉冲离子束提供了 理论和实践基础。 北京大学重离子物理研究所率先开展了磁绝缘离子加速器 辐照金属材料和热功学效应模拟计算的系列研究。乐小云、赵渭 江等利用蒙特卡罗计算模拟方法的进行研究，结果表明，HIPIB 能更有效的在金属靶材中产生热震应力波，震波与有效能量沉积 密度有关，在合适的条件下，热震波具有三峰值，分别为双正峰和 —个负峰。在金属铝靶上体现出强烈的温度效应，温度变化速率 达到101‰，剧烈的温度效应是导致材料表面强烈的热应力和材 料内部的热激波出现的原因。赵渭江、颜莎等在低能、低注入水平 上研究了45’钢的脉冲能量效应，研究结果表明，提高但是表面 的摩擦系数没有改善。向伟、赵渭江等利用多维模型的胞中粒子 计算机程序，对磁绝缘离子二极管中粒子的动力学过程进行模拟 、计算，建立在爆炸发射模型和自洽PIC粒子模拟程序blACIC基 础上，对平板型磁绝缘二极管束流特性的计算结果表明：外加磁 场通过对二极管电子柬进行约束，达到磁绝缘的目的加磁场形成 的虚阴极导致引出柬流密度增加。颜莎、乐小云等以45。钢和纯 铝两种材料作样品，采用TEMP加速器，加速电压260kv，总流强 在2kA以上，脉冲时间为60ns，在不同的束流密度下辐照试样。 辐照后在45·钢样品的侧截断面上从表面和背面两个方向测量 了沿深度方向显微硬度分布，结果表明，低强度的HIPIB辐照并 未导致微硬度的明显改变，而高强度的HIPIB则在近1601xm的 深度范围中提高了微硬度；并且存在两个高应力区，第一个在表 面附近；第二个则在距表面100p．m左右处，样品表面分为3层。 最表面的是由高温度梯度引起的热应力层，为应力波产生的区 域；第2层在距表面40p．m到60p．m处，为低应力区，第2层中的 压应力被自由表面的膨胀产生的张应力所抵消；第3层是热激波 的形成与传播造成的高应力区。当高应力区的应力超过了材料的 屈服强度时，就会产生大量位错。 试验结果分析表明：辐照时金属表面经历了从沸点蒸发和快 速凝固的过程，形成了凹陷组成的多孔表面结构，可能导致表面 微硬度下降，显微硬度未见明显提高。试验结果还指出：距表面约 60仙m、1201xm处和距背表面601xm处均发现裂纹，且区域之间没 有裂纹，可以认为是HIPIB的应力波作用的效果。综上所述，北京 大学重离子研究所系列研究证实了磁绝缘二极管加速器HIPIB 的热一力学效应，从而为HIPI在表面强化的进一步研究和应用提 供了重要的理论依据。 大连理工大学三束国家重点实验室利用俄罗斯TEMP型磁 绝缘加速器也进行了对金属材料的表面改性研究。梅显秀、马腾 才等对W6M05Cr、72高速钢在相同束流密度、加速电压和脉冲宽 度的条件下，改变脉冲次数，进行了辐照试验。试验结果表明： HIPIB辐照处理使该高速钢表面层发生铁索体a—Fe向奥氏体 ’一F转变，且随脉冲次数的增加，奥氏体相增多。表面形成了一些 火山口状熔坑，熔坑中心处富含离子束元素成分，并随脉冲次数 增加，熔坑的数量减少。辐照处理后HSS的近表层200p．m范围 内显微硬度有所提高，表层的耐磨性提高近2倍，耐蚀性能也有 所提高。胡永峰等利用大连理工大学的TEMP装置进行了HIPIB 辐照Ti6A14V的耐蚀性能的研究，试验结果表明：相结构没有发 生变化。但是基体的衍射峰向高角方向漂移和宽化，表面形成了 晶粒细化和残余应力；显微硬度提高的深度范围达到600p,m，较 离子注入高(3~4)个数量级；在HCI溶液中，辅照后的自腐蚀电位 显著提高，耐腐蚀性能改善。朱小鹏、雷明凯等研究了HIPIB辐照 后纯钛表面火山口状熔坑的形成规律，实验结果表明：大连理工 大学的研究结果进一步证实了HIPIB的”长程硬化”作用，并对表 面形貌如粗糙度和熔坑等和脉冲次数的关系进行了深人研究。 北京某大学也是对HIPIB领域研究较早的单位，近年来拓 展到利用TEMP装置进行航空材料领域试验研究。张洪涛、林义 民等研究了不同束流密度下，HIPIB辐照对Ni3AI合金表面形 貌、物相及电化学腐蚀性能的影响，研究结果表明：以低柬流密度 辐照，Ni3AI表面产生强烈塑性变形，形成变形织构，当束流密度 加大时，材料表面产生部分非晶化、新相。沈阳理工大学引进了俄 罗斯TEMP系列中新—代的自绝缘1队．450型碳离子加速器，也 开始了HIPIB辐照金属材料的试验研究，对Ti6A14V、CH536和 T5K10刀具进行辐照试验。结果表明：表面凹坑在脉冲次数达到(孓 10)次时，其数量和尺寸可以明显降低；辐照表面可以出现晶粒细 化；对Ti6A14V和CH536，在0．015N微载荷下，表面的显微硬度并 没有明显提高，在一定束流密度下，可以出现新的相结构。 4目前的研究难点和实际应用问题 以上研究结果表明：HIPIB辐照金属材料表面具有显著的热 一力学效应，体现在快速加热和快速冷却引起的表面形貌和组织 结构变化如凹坑、相变、织构、晶粒细化以及非晶等；同时热激波 的冲击效应产生的长程硬化二次峰值也得到了证实。从而为金属 材料的强化、耐磨、耐蚀性能的改善提供了依据。因此提高设备研 万方数据 机械设计与制造 MachineryDesign&Manufacture 第12期 2008阜12月 文章编号：1001—3997(2008)12-0246-03 快走丝线切割机钼丝使用寿命影响因素分析及预防措施 张晓燕吴军营曹博涛 (陕西科技大学机电工程学院，西安710021) Theeffectanalysisandpreventablemeasuresofmolybdenum．．wire withhigh-speedwire--cutmachine ZHANGXiao-yan，WUJun-ying，CAOBo-tao (ShaanxiUniversityofScienceandTechnologyMechanicalandElectricalEngineeringCollege Xi’an710021，China) 'oq■'々'，》■々o'■置—o惭●蕾^o'■'■'晌6々∞●o，}o隹疗oMo'晌■M000々o铂o々o’●雠6々■'●"●々∞o口E—o々‘60'，’々∽o'o'●，，'■惭●'，'o恸●々，'o臀^●惭p托oo常‘々，“，t疗●々‘疗●蕾^o'■X_ 【摘要】从切割加工中操作规范、短路故障、工作液浓度、加工材料处理等几方面分析了高速走丝 线切割加工中影响钼丝使用寿命的不稳定因素和加工状态，提出了减小断丝故障发生，提高钼丝使用寿 命的有效措施。 关键词：线切割加工；钼丝使用寿命；不稳定因素；预防措施 【Abstract】Weanalyzedinsecureeffictandworkingstatewhich够cf，孔。枷denum-wire’5work— Z汾inhigh-speedwire--cutprocessonoperationcriterion，shortcircuit，work咖一iquidconcentrationand processingofmaterial．Furthermore，wetakesomemeclMl,re$onreducingbreaking-wireandimproving molybdenum-wire，swork-life． Keywords：Wire—cutprocess；Molybdenum-wire’Swork-life；Insecureeffect；Preventable me矗SU陀 中图分类号：THl6文献标识码：A 在高速走丝线切割加工中，所用电极材料一般为钨(w)、钨 电率大，导热性能好，它以价廉、韧性好、强度高、导电性能好以及 铜(w50MO)、钼(MO)等，它们具有良好的物理性能和化学性能，伸长率低等优点通常被选作为高速走丝线切割加工较为理想的 最为常见的是钼丝，它的熔点为，原子问结合强，膨胀系数小，导 电极工具。但是在切割加工中由于钼丝遭受急冷、急热放电作用 ★来稿日期：2008-02—13★基金项目：上海市纵向科研项目(05111mrs) -■“¨|·●¨一SeH¨●¨n．·‘．．．．¨●。⋯‘．．-¨．．．．．．．d．．．．．．h．．．n‘．．-．．．●．．．¨J-⋯J⋯‘．．．．．．o～-●·⋯·●‘．．．¨●。⋯●-⋯‘Ⅲ．．．●·⋯●··．¨p¨Ⅲ·●．-．．√h·¨·．．hH¨^h*-·¨●b_．．．-¨．．．．～—d呐p^”·．一___h·州一．州●’嘶一··--●“H．·～⋯‘¨-“h__¨●啊 制能力尤为重要，如尽快开展外部绝缘式碳离子加速器的研制 参考文献 等。HIPIB处理金属材料是—个新的具有广阔应用前景的方向， 它克服了连续离子注人和脉冲激光改性工艺推广应用的一些原 则性困难，具有重要的研究应用价值。 随着我国农业机械装备数量的不断增加，高效，节能和长寿 命是农业机械化技术的发展方向。HIPIB具有超高温、超高压和 强磁场等特性，它克服了连续离子注入和脉冲激光改性工艺应用 的原则性困难，具有能量高、性能最完善的多功能特点。HIPIB处 理金属表面具有广阔应用前景的发展方向。根据强流脉冲离子束 与金属相互作用的机理和特点，采用强流脉冲离子柬对金属进行 表面改性的先进方法，使触土的旋耕机等农机机具的表面生成硬 化层，运用扫描电子显微镜等现代化的测试手段，测试分析和测 试表面改性的结构、成分变化，研究强流脉冲碳离子与金属 (65Mn,45)的相互作用机理研究、表面改性结构和性能控制及系 列最佳工艺参数研究。金属表面受强流脉冲离子束作用后产生的 硬化层可以提高金属表面的硬度，增强农机机具的强度和耐磨 性，提高灭茬刀、开沟器和锤片等农机机具的使用寿命，可以大大 降低灭茬刀等农机机具的磨损损失。对提高农机机具的耐磨性具 有重大意义，为节约能源、节省钢材开辟了—个新的更广阔的途径。 1RemnevGE，IgakovI F，TarbokovVA，eta1．Higllintensitypulsedionbeam ∞ul嘲andtheirindustrialHishapplications[J]．SudaeeandCoatings Technology。1999，l14：206-212 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Zu-li(沈阳农业大学,农业工程学院,沈阳 ,110161) 刊名： 机械设计与制造 英文刊名： MACHINERY DESIGN & MANUFACTURE 年，卷(期)： 2008(12) 参考文献(9条) 1.石磊;何小平;邱爱慈 强流脉冲离子束产生的试验研究[期刊]-核技术 2003(10) 2.邱爱慈;张嘉生;彭建昌 用于模拟X射线热-力学效应的高功率脉冲离子束研究进展[期刊论文]-核技术 2002(09) 3.石磊;何小平;张嘉生 一台小型强流脉冲离子束加速器[期刊论文]-强激光与粒子束 2004(03) 4.Korenev A S;Pen A J Pulsed high current on beam processing equipment[外文期刊] 1997 5.Piekoszewski j;Werner Z;Szymczyk W Application of higlI intense pulsed ion and plasma beams in modification of materials 2000 6.Hashimoto Y;Yatsuzuka M Study on smoothing of titanium surface by intense pulsed I on beam irradiatlon 2001 7.Rcrancv G E;Shuiov V A Application of high power in beams for technology 1993(04) 8.Davis H A Stinnett R W,Yatsui K,Intense Ion-Beam Treatment of Materials 1996(08) 9.Remnev GE;Isakov I F;Tarbokov V A Hish intensity pulsed ion beam sources and their industrial Hish applications 1999 本文读者也读过(10条) 1. 郭甲 强流脉冲离子束辐照改性WC-Co硬质合金强化机制研究[学位论文]2009 2. 林义民.徐洮.张洪涛 强脉冲离子束辐照对Ni3Al合金表面的改性[期刊论文]-中国有色金属学报2003,13(1) 3. 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