强流脉冲电子束表面改性的物理模型及数值模拟

推导出了强流脉冲电子束处理过程的应力场方程,利用数值模拟,得到了温度场和应力场的分布曲线,分别给出了熔化深度、升降温的速率及温度梯度的大小,准静态应力和热应力波的幅值、应力波的传播及反射过程,利用数值模拟结果对实验中观察到的实验现象熔化深度、材料表层及次表层数微米范围内组织结构的变化及数百微米的硬度提高等给出了解释。     

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     

强流电子束聚焦数值模拟

采用粒子模拟（PIC）方法模拟了强流电子束在薄磁透镜中的聚焦。建立了强流电子束的聚焦模型,模拟了神龙一号加速器某次实验的结果,得到的模拟结果非常接近实验值,证明采用建立的PIC模型模拟强流束经过磁透镜时的聚焦是可信的。应用此模型模拟了电子束参数（入射半径、发射度、能散度、相位角等）对焦斑直径的影响, 结果表明:在模拟条件下,电子束平行入射时最佳束包络半径位于20.0~22.5 mm;发射度和能散度对焦斑直径的影响和理论公式吻合得较好;只有入射电子束包络半径和相位角匹配时才能得到小的焦斑直径。     

强流相对论电子束的数值模拟

我们研制了CEBQ程序和ENVLOP程序，模拟稳态相对论电子束在二极管区的产生和加速，以及电子束在阳极通道内的传输过程。CEBQ程序模拟二极管区电子轨道，当阳极电压为1．5MV时，阴极总发射电流为17．9kA，进入阳极通道内的传输电流为4．3kA，阳极入口处D=4cm的束发射度为24．9cm．mrad。ENVLOP程序使用线性近似下的包络方程，描述电子束包络在螺旋管引导磁场作用下的变化，讨论了外加引导磁场对包络的影响。计算结果表明，在合适引导磁场作用下，束包络起伏较小，进入阳极通道的束流(4．3kA)能全部通过。     

强流电子束聚焦数值模拟

采用粒子模拟（PIC）方法模拟了强流电子束在薄磁透镜中的聚焦。建立了强流电子束的聚焦模型,模拟了神龙一号加速器某次实验的结果,得到的模拟结果非常接近实验值,证明采用建立的PIC模型模拟强流束经过磁透镜时的聚焦是可信的。应用此模型模拟了电子束参数（入射半径、发射度、能散度、相位角等）对焦斑直径的影响, 结果表明：在模拟条件下,电子束平行入射时最佳束包络半径位于20.0~22.5 mm;发射度和能散度对焦斑直径的影响和理论公式吻合得较好;只有入射电子束包络半径和相位角匹配时才能得到小的焦斑直径。     

强流脉冲电子束轰击下回喷靶材速度测量与数值模拟

叙述了用高速摄影技术研究强流脉冲电子束与钽金属靶相互作用后靶材的回喷现象,得出了靶材回喷的速度。并且采用EGS4程序和Euler流体力学方程组分别模拟了电子束在靶内的能量沉积和束靶相互作用的动力学过程。实验表明,钽金属靶在强流脉冲电子束轰击下,回喷靶材的轴向速度大于2.9 mm/μs,而模拟结果表明理想情况下回喷靶材自由面的轴向速度可达9.7 mm/μs。实验和理论计算为阻挡回喷靶材的快门设计提供了必要的参数。     

强流脉冲电子束轰击下回喷靶材速度测量与数值模拟

 叙述了用高速摄影技术研究强流脉冲电子束与钽金属靶相互作用后靶材的回喷现象,得出了靶材回喷的速度。并且采用EGS4程序和Euler流体力学方程组分别模拟了电子束在靶内的能量沉积和束靶相互作用的动力学过程。实验表明,钽金属靶在强流脉冲电子束轰击下,回喷靶材的轴向速度大于2.9 mm/μs,而模拟结果表明理想情况下回喷靶材自由面的轴向速度可达9.7 mm/μs。实验和理论计算为阻挡回喷靶材的快门设计提供了必要的参数。     

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。     

强流脉冲电子束诱发纯钛表面的微观结构及应力状态

利用强流脉冲电子束(HCPEB)装置对金属纯钛进行轰击,采用X射线衍射,扫描电子显微镜及透射电子显微镜技术详细分析了轰击样品表层的结构和缺陷. X射线衍射分析表明, HCPEB能够在材料表层诱发幅值为 GPa量级的压应力,并在(100), (102)和(103)晶面出现择优取向.表层微观结构的观察表明: HCPEB轰击后材料表层发生了马氏体相变,形成了大量的片状马氏体组织; 此外, HCPEB轰击还在辐照表面诱发了强烈的塑性变形,一次轰击后,晶粒内部的塑性变形以(100)晶面的位错滑移为主,位错密度显著提高;多次轰击后,样品变形结构发生变化,变形孪晶的数量明显增多. 这些变形微结构不仅影响表层的织构演化行为,而且还能细化晶粒,进而提高材料表面硬度, 为HCPEB技术进行纯钛表面强化提供了一条有效的途径.     

MC55低阻抗强流脉冲电子加速器研制

介绍了MC55低阻抗强流脉冲电子加速器的结构及主要技术参数,给出了加速器的初步调试结果。该加速器由Marx发生器、10Ω水介质单筒形成线、高压自击穿气体开关、水介质传输线和真空二极管组成。经过初步调试,该加速器可以产生电压500 kV,电流50 kA,脉冲宽度50 ns的强流电子束。目前MC55加速器已应用于同轴虚阴极振荡器高功率微波源的实验研究。     

强流脉冲电子束应力诱发的微观结构

利用强流脉冲电子束装置在各种工艺条件下对奥氏体不锈钢、单晶铝及多晶铝等面心立方金属进行辐照处理.利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜等详细分析了辐照样品的变形组织与结构.通过分析，在一定程度上建立起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分析.实验结果表明，强流脉冲电子束能够在材料内部诱发10²—10³MPa的应力，其传播方式与材料的 晶体结构关系密切.这一应力是导致材料深层性能与微观组织结构发生变化的根源所在. 关键词： 强流脉冲电子束 应力 微观结构 变形     

强脉冲电子束辐照材料表面形貌演化的模拟

在回顾和总结强脉冲电子束表面改性实验的基础上, 利用有限元数值计算方法对强脉冲电子束辐照铝和304不锈钢产生的温度场进行模拟, 给出了靶的近表面区域流体状态存在的特征尺度和特征时间, 并对不同材料特性下熔坑的产生原因进行了讨论. 采用两相流模型, 通过水平集方法和有限元方法结合的计算流体力学模拟了熔坑和表面突起形貌在表面处于熔融状态下的运动特征, 通过和实验数据相对比, 验证了对于高黏度, 高表面张力的高熔点金属, 表面处于流体状态下的张力驱动效应是熔坑等表面形貌演化的重要原因.     

MC55低阻抗强流脉冲电子加速器研制

介绍了MC55低阻抗强流脉冲电子加速器的结构及主要技术参数,给出了加速器的初步调试结果。该加速器由Marx发生器、10 Ω水介质单筒形成线、高压自击穿气体开关、水介质传输线和真空二极管组成。经过初步调试,该加速器可以产生电压500 kV,电流50 kA,脉冲宽度50 ns的强流电子束。目前MC55加速器已应用于同轴虚阴极振荡器高功率微波源的实验研究。     

一种强流脉冲电子束入射角等效计算方法

对电子束能量沉积剖面的变化规律进行了解释,给出了由能量损失函数和能量沉积效率函数之积表示的定性的能量沉积函数表达式。在此基础上,给出了一种关于能量沉积剖面的电子束等效入射角计算方法,分析了方法所带来的影响和适用的范围,采用蒙特卡罗方法对等效结果进行了验证。证明该方法优于入射角的算术平均,尤其在靶材浅层与混合束符合较好。     

一种强流脉冲电子束入射角等效计算方法

对电子束能量沉积剖面的变化规律进行了解释,给出了由能量损失函数和能量沉积效率函数之积表示的定性的能量沉积函数表达式。在此基础上,给出了一种关于能量沉积剖面的电子束等效入射角计算方法,分析了方法所带来的影响和适用的范围,采用蒙特卡罗方法对等效结果进行了验证。证明该方法优于入射角的算术平均,尤其在靶材浅层与混合束符合较好。     

强流脉冲电子束辐照对NiCoCrAlY涂层结构和性能的影响

 采用低气压等离子体喷涂在DZ4镍基高温合金表面沉积NiCoCrAlY 涂层,并利用强流脉冲电子束（HCPEB）对其进行辐照处理。对HCPEB辐照处理前后的涂层的结构和性能分析得出,经HCPEB辐照处理后,疏松的涂层表面重熔,变得致密平整,产生微区光滑、熔坑和裂纹。X射线衍射分析表明,电子束辐照后涂层中的γ′相增多,涂层没有产生明显的残余微观内应力。900 ℃静态空气等温氧化试验结果显示,HCPEB辐照处理后,涂层的抗氧化性能明显提高。原因在于电子束辐照处理的涂层氧化后表面形成了更加完整的Al2O3保护层,同时γ′相的增加也有利于其耐氧化性能的提高。     

强流脉冲电子束辐照对NiCoCrAlY涂层结构和性能的影响

采用低气压等离子体喷涂在DZ4镍基高温合金表面沉积NiCoCrAlY 涂层,并利用强流脉冲电子束（HCPEB）对其进行辐照处理。对HCPEB辐照处理前后的涂层的结构和性能分析得出,经HCPEB辐照处理后,疏松的涂层表面重熔,变得致密平整,产生微区光滑、熔坑和裂纹。X射线衍射分析表明,电子束辐照后涂层中的γ′相增多,涂层没有产生明显的残余微观内应力。900 ℃静态空气等温氧化试验结果显示,HCPEB辐照处理后,涂层的抗氧化性能明显提高。原因在于电子束辐照处理的涂层氧化后表面形成了更加完整的Al2O3保护层,同时γ′相的增加也有利于其耐氧化性能的提高。