强流脉冲电子束诱发温度场及表面熔坑的形成

在强流脉冲电子束表面改性实验的基础上，通过数值计算方法对铝和钢的温度场和熔化过程 进行模拟，给出了最先熔化的位置、形成熔孔的最大深度以及表面层下熔化的最大深度. 通 过铝和钢的熔化潜热温度补偿的数值模拟结果和实验结果的对比，揭示了亚表层率先升温及 熔化从而通过表层向外喷发的熔坑的形成机制. 关键词： 强流脉冲电子束 热传导 数值模拟 熔孔     

表面状态对强流脉冲电子束辐照诱发金属表面熔坑的影响

 为了考察材料晶体学特性对表面熔坑形成机制的影响,利用强流脉冲电子束（HCPEB）对喷丸前、后的304奥氏体不锈钢进行表面辐照处理,对HCPEB诱发的表面熔坑形貌进行了详细的表征。实验结果表明,HCPEB辐照后样品表面形成了大量的火山状熔坑,熔坑数密度和熔坑尺寸随电子束能量的增加而减小,材料表面的杂质或夹杂物容易成为熔坑的核心,并在熔坑形成的喷发过程中被清除,起到净化表面的作用。此外,喷丸前、后样品表面熔坑数密度遵循相似的分布规律,喷丸处理使熔坑数密度显著增大,表明材料的晶体学特性对表面熔坑形成有重要的影响,晶界、位错等结构缺陷是熔坑形核的择优位置。     

1 053 nm脉冲激光对铝合金/水结构辐照效应

 使用1 053 nm脉冲激光分别辐照铝合金单板和铝合金/水结构,通过表面形貌观察、温度场分析、熔穿时间测量等手段,分析了水的存在对铝合金壳体烧蚀的影响。运用有限元软件ANSYS,建立了脉冲激光辐照下单板及结构温度变化的数值模型,计算了铝合金表面熔凝区域的尺寸,并与实验结果进行了对比。结果表明：在相同的实验条件下,辐照8个激光脉冲时,铝合金单板即被熔穿,而辐照10个脉冲后铝合金/水结构仍未发生熔穿,且结构中铝合金表面的熔凝区域要小于单板情形中的熔凝区域,这表明水的存在对延缓铝合金板的烧蚀有较大的作用。对于单板情形,计算结果与实验结果符合较好,而对于铝合金/水结构情形,数值模拟放大了铝合金壳体的温升,这主要是因为数值模拟程序未考虑水的对流及沸腾换热对计算结果的影响。     

强流脉冲电子束表面改性CuFe10合金的显微组织和性能研究（英文）

研究了不同脉冲次数强流脉冲电子束表面改性对CuFe10合金组织及性能的影响。强流脉冲电子束处理CuFe10合金的重熔表面出现了火山坑和直径为100nm到1μm的富铁球,表明了强流脉冲电子束处理CuFe10合金表面发生了液相分离。强流脉冲电子束脉冲轰击30次后,CuFe10合金表面的显微硬度与耐蚀性能均得到显著改善,主要是由于强流脉冲电子束轰击处理CuFe10合金表层引发的快速熔凝过程中表面发生了液相分离及晶粒细化的缘故。     

强流脉冲电子束表面改性CuFe10合金的显微组织和性能研究

研究了不同脉冲次数强流脉冲电子束表面改性对CuFe10合金组织及性能的影响。强流脉冲电子束处理CuFe10合金的重熔表面出现了火山坑和直径为100 nm到1 m的富铁球,表明了强流脉冲电子束处理CuFe10合金表面发生了液相分离。强流脉冲电子束脉冲轰击30次后,CuFe10合金表面的显微硬度与耐蚀性能均得到显著改善,主要是由于强流脉冲电子束轰击处理CuFe10合金表层引发的快速熔凝过程中表面发生了液相分离及晶粒细化的缘故。     

强流脉冲电子束作用下纯镍表面的应力特征

 利用强流脉冲电子束（HCPEB）装置对多晶纯镍进行轰击,采用X射线衍射及扫描电子显微镜等技术,详细分析了受轰击样品的变形组织与结构。通过分析建立了强流脉冲电子束诱发的应力特征与变形结构之间的关系,并对目前现有的几种应力波数值模拟结果进行了讨论。实验结果表明：强流脉冲电子束能够在材料表层诱发约5GPa的应力,造成纯镍表面发生孪生塑性变形。除了热膨胀引起的表层横向准静态热应力外,强流脉冲电子束产生的等离子体脉冲爆炸可以直接诱发幅值很高的冲击应力波,二者的共同作用是引起表层微观结构变化的直接原因。     

强流脉冲电子束作用下金属锆的微观结构与应力状态

利用强流脉冲电子束 (HCPEB) 技术对金属纯锆进行表面处理, 采用X射线衍射, 扫描电子显微镜及透射电子显微镜详细分析了辐照诱发的表层微观结构和缺陷. X射线分析结果表明, HCPEB辐照后在材料表层诱发幅值为GPa量级的压应力, 并形成{0002}, {1012}, {1120}及{1013}织构. 表层微观结构观察表明, 与其他金属材料不同, HCPEB辐照在材料表层诱发的熔坑数量极少, 多次轰击甚至几乎没有表面熔坑的形成. 此外, 在快速的加热和冷却状态下, 在表面熔化层形成大量的超细晶粒结构, 同时诱发马氏体相变和强烈的塑性变形. 1次HCPEB辐照后表层内形成的变形微结构以位错为主, 孪晶数量较少; 5 次辐照样品的位错密度迅速增高, 孪晶数量也显著增加; 10次辐照后样品中的变形微结构以变形孪晶为主, 且出现二次孪晶现象. 表层晶粒内部变形的晶体学特征不仅决定了表层的织构演化行为, 而且还起到细化晶粒的作用, 为纯锆及锆合金表面强化提供了一条有效的途径. 关键词： 强流脉冲电子束 纯锆 微观结构 应力状态     

飞秒激光辐照铝靶产生快电子发射的实验和模拟研究

采用实验和数值模拟研究了飞秒激光辐照铝靶产生的快电子发射.实验中,在主脉冲前加上一个预脉冲产生预等离子体,然后主脉冲与预等离子体作用产生快电子.在激光反射方向附近,实验测量的快电子束发射与数值模拟的结果高度地一致;在靶背面,发射的快电子的数目小于数值模拟的结果,原因在于快电子在靶内输运受到电荷分离场和碰撞的影响;在数值模拟中未出现的,沿靶表面发射的快电子束,是由表面准静态电磁场的禁闭效应产生.     

飞秒激光辐照铝靶产生快电子发射的实验和模拟研究

采用实验和数值模拟研究了飞秒激光辐照铝靶产生的快电子发射。实验中,在主脉冲前加上一个预脉冲产生预等离子体,然后主脉冲与预等离子体作用产生快电子。在激光反射方向附近,实验测量的快电子束发射与数值模拟的结果高度地一致;在靶背面,发射的快电子的数目小于数值模拟的结果,原因在于快电子在靶内输运受到电荷分离场和碰撞的影响;在数值模拟中未出现的,沿靶表面发射的快电子束,是由表面准静态电磁场的禁闭效应产生。     

强脉冲离子束辐照金属材料烧蚀产物特性分析

强脉冲离子束作为一种闪光热源在材料表面改性方面具有广泛的应用.烧蚀效应对于强脉冲离子束与物质相互作用以及强脉冲离子束薄膜沉积过程具有重要的影响.因此,分析强脉冲离子束的烧蚀过程和机理对于优化其应用具有重要意义.为了研究强脉冲离子束的烧蚀产物特性,采用1.2—1.5 J/cm~2的强脉冲离子束辐照纯锌靶材,并使用单晶硅片收集辐照过程中产生的烧蚀产物.通过扫描电子显微镜、能谱仪和高精度天平的分析与测量,得到了烧蚀产物的表面形貌和相关特性等实验结果.结合实验和有限元模拟计算得到的材料表面温度场分布演化结果,可以证明在强脉冲离子束辐照锌靶材的烧蚀过程中会有气态、液态和固态三种不同状态的烧蚀产物产生.     

单脉冲纳秒激光诱导硅表面微结构

利用Nd:YAG纳秒脉冲激光(波长532nm)在空气中对单晶硅表面进行单脉冲辐照,研究了激光能量密度和光斑面积变化对微结构的影响。通过场发射扫描电子显微镜和原子力显微镜(AFM)对样品表征,并对纳秒激光辐照硅的热力学过程进行分析。结果显示:当脉冲激光的能量密度接近硅的熔融阈值且光斑直径小于8μm时,形成尖峰微结构;随着能量密度或光斑面积增大,尖峰结构消失,形成边缘隆起和弹坑微结构。通过流体动力学模型得到微结构形貌的解析解,模拟得到的微结构形貌与实验测得的AFM数据一致。研究表明微结构的形成主要是由于表面张力引起的熔融硅流动。表面张力与表面温度和表面活性剂的质量浓度有关。温度梯度引起的热毛细流作用和表面活性剂浓度引起的毛细作用共同影响下形成尖峰、边缘隆起和弹坑微结构。     

新型低熔点熔盐黏度的实验研究

熔盐因其具有广泛的使用温度范围,低蒸气压,大热容量,低黏度,良好的稳定性,低成本等诸多特性已成为聚光太阳能热发电中颇有潜力的传热蓄热介质。准确的熔盐热物性对于太阳能发电过程中介质的传热蓄热性能有重要影响。其中熔盐黏度作为重要的热物性之一,对于提高传热效率和降低流动阻力具有决定作用。本文利用研制的高温黏度测量仪对水和HITEC盐的黏度温度特性进行了实验研究,实验结果与文献数据具有较好的一致性,证明了该高温熔盐黏度仪的可靠性。为了降低混合熔盐的熔点,改进其热物性能,本文对Solar Salt进行改性研究,得到两种新型低熔点混合熔盐,并测定得到了黏度温度特性曲线。结果表明,改性后的高温熔融盐黏度有所降低,有利于降低太阳能热发电熔盐传热管路系统的阻力和成本。     

Soft picosecond X-ray laser nanomodification of gold and aluminum surfaces

Experimental and theoretical investigations of aluminum (Al) and gold (Au) surface modification by soft X-ray laser pulse are presented. Well-polished samples of Al and Au are irradiated by ps-duration pulse with wavelength of 13.9 nm at the energy range of 24–72 nJ. Differences in the melting and the ablation processes for those materials are observed. It is shown that at low laser pulse energy, the nanoscale ripples on the surface may be induced by melting without following ablation. In that case, the nanoscale changes in the surface are caused by splash of molten metal under gradient of fluence. At higher laser pulse energy, the ablation process occurs and craters are formed on the surface. However, the melting determines the size of the modified surface at all ranges of the laser energies. For interpretation of experimental results, the atomistic simulations of melting and ablation processes in Al and Au are provided. The calculated threshold fluencies for melting and ablation are well consistent with measured ones.     

The formation and rupture of molten metal bridges in electrical contacts

The bridge of molten metal which is formed between the electrodes of an electrical contact is of considerable interest from a fundamental physical point of view. It is also of practical importance as the cause of erosion and failure of such contacts, which is due to the transfer of metals from one electrode to the other after repeated operations of the contact. The theory of the formation, development and rupture of contact bridges is discussed, and an experimental study of the properties of bridges between slowly opening contacts is described. Observations have been made on bridges in the ordinary atmosphere andin vacuo. The method of producing bridges for visual examination in air andin vacuo has been applied to an investigation of bridges of the noble metals, and of the readily oxidizable base metals. The temperature in a bridge can reach very high values, approaching the boiling point of the metal, with a potential difference of only one to two volts between the electrodes. Theoretical predictions of the shape of molten metal bridges as controlled by the temperature distribution and by surface tension and electrodynamic forces are compared with the shapes actually observed. Photographs of bridges showing the agreement between theory and experiment are given. The potential difference between the electrodes when the rupture of the bridge takes place, — the rupture voltage, has been measured for a number of metals: Pt, Pd, Ag, Au, Cu, Fe, Ni, W, Mo and Sn. The results are discussed in relation to theories of the cause and the mode of rupture and to the electrical and thermal properties of metals at high temperatures.     

考虑金属蒸汽的钨极惰性气体保护焊电弧与熔池交互作用三维数值分析

基于局域热平衡状态假设并考虑金属蒸汽的作用, 建立了钨极惰性气体保护焊电弧与熔池交互作用的三维数学模型. 电弧等离子体的热力学参数和输运系数由温度和金属蒸汽浓度共同决定, 并使用第二黏度近似简化处理金属蒸汽在氩等离子中的输运过程. 在考虑熔池流动时, 主要考虑了浮力、电磁力、表面张力和等离子流拉力的作用. 通过对麦克斯韦方程组、连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分输运方程的耦合求解, 得到了金属蒸汽在电弧中的空间分布、电弧和熔池的温度场、速度场和电流密度分布等重要结果. 通过与未考虑金属蒸汽的结果对比, 研究了熔池上表面产生的金属蒸汽对电弧等离子体行为的影响, 以及电弧等离子对熔池行为的影响. 结果表明, 金属蒸汽主要富集在熔池上表面附近; 金属蒸汽对电弧等离子体有明显的收缩作用, 而对等离子速度和电势影响较小; 金属蒸汽的出现对熔池上表面速度分布和剪切力分布以及熔池形貌并无明显影响. 求解结果与已有的实验结果和计算结果符合良好.     

泡沫金属对含油制冷剂管内流动沸腾换热特性的影响

实验研究了制冷剂-润滑油混合流体在内嵌泡沫金属圆管内流动沸腾的换热特性。泡沫金属为10ppi、90%孔隙率;制冷剂为R410A,润滑油为VG68,油浓度为0～5%。实验结果表明:纯制冷剂工况下,泡沫金属强化流动沸腾换热系数,换热系数提高30%～120%;含油工况下,泡沫金属只强化流动沸腾换热系数20%以下,在低质流密度或者高质流密度的高干度情况下出现恶化换热的情况。润滑油总是恶化制冷剂在内嵌泡沫金属圆管内流动沸腾的换热系数,换热系数最多恶化71%,且在低质流密度下对换热的恶化比在高质流密度工况下严重。     

Modelling of laser surface alloying and dispersing of ceramics

Laser‐supported processes can be used to modify the electrical and thermal properties of ceramic substrates locally. These processes are characterized by a strong thermal interaction between the laser beam and the ceramic surface that leads to localized melting. During the dynamic melting process an additive material is injected into the melt pool in order to modify the physical properties. The heat and mass transfer during this dynamic melting and solidification process has been studied numerically in order to identify the dominating process parameters. Simulation tools based on a finite‐volume method have been developed to describe the heat transfer, fluid flow and the phase change during the melting and solidification of the ceramic. The results of the calculation have been validated against experimental results.     

The formation of metal powders by ultrasonic atomization of molten metals

Ultrasonic liquid automization was first described in 1927. Since then the subject has caught the imagination of both academics and industrialists. This paper describes the continuation of work started by Stamm on the ultrasonic automization of molten metals. In this work experiments were extended to atomization of metal melts with melting points up to 700°C and to frequencies up to 0.8MHz. The example of ultrasonic atomization is used to show that the mechanism of atomization is in accord with the surface wave theory.     

应变效应对金属Cu表面熔化影响的分子动力学模拟

采用Mishin镶嵌原子势，通过分子动力学方法模拟了金属Cu 的(110)表面在不同应变下的熔 化行为，分析了表面熔化过程中系统结构组态和能量的变化以及固液界面迁移情况.金属Cu 的(110)表面在低于热力学熔点的温度下发生预熔化，准液体层的厚度随温度升高而增加.当 温度高于热力学熔点时，固液界面的移动速度与温度成正比，外推得到热力学熔点为1380K ，与实验结果1358K吻合良好.应变效应（包括拉伸和压缩）导致热力学熔点降低，并促进表 面预熔化进程.在相同温度条件下，准液体层的厚度随应变绝对值的增加而增大.应变效应导 致的固相自由能增加是金属Cu(110)表面热稳定性下降的主要因素，且表面应力和应变方向 的异同也会影响表面预熔化的进程. 关键词： 表面预熔化 热力学熔点 表面应力 分子动力学