[00818136]高能电子束铝硅合金材料表面液-固耦合强化的研究

课题来源与背景：广西矿产资源种类繁多，储量较大，以有色金属矿藏最富有，素称“有色金属之乡”，是中国10个重点有色金属产区之一。铝资源丰富的广西，只能生产低附加值的氧化铝、铝锭等初级产品，获利低微。而铝合金表面质量极大的限制其使用范围和寿命，而铝合金高能电子束表面强化是一种有行之效的强化方法，能有效地大幅度提高铝合金材料表面的强度、硬度、耐磨及耐蚀性能。材料表面层的物理、化学及机械性能等始终是构成其整体性能的重要组分，尤其是在一些特殊场合，材料的表面性能将起到关键性作用。 技术原理及性能指标：电子束具有高能量密度、易于控制和调节等优点，在继电子束焊接和熔炼之后，又开始在材料表面处理中得到引人注目的发展。电子束处理是一种选区域处理，其工作过程类似于电子束焊接。从电子枪阴极表面发射的电子束直接轰击需要处理的工件表面，瞬间的能量转换和沉积使“表面层”温度急剧升高，而“基体”仍保持“冷态”，电子束结束照射加热区域的热量迅速向基体扩散，表面层的温度急剧下降，从而在表面改性形成特定的加热、冷却过程，类似于常规的热处理过程。除此之外，快速的冷却过程中形成的巨大温度差会在改性过程中同步造成热应力的产生，并形成一定的应力分布状态。以上述过程为基础，通过控制入射电子束的形成、能值及空间分布，同时附以必要合金元素(气体或固体)的添加，就构成了电子束表面改性处理的独特工艺。 技术的创造性与先进性：用电子束对铝硅合金表面进行液-固耦合强化的方法铝硅合金表面添加纳米铁-铝混合粉对铝硅合金表面进行固-液耦合强化的工艺方法。 技术的成熟程度，适用范围和安全性：自从上世界六十年代俄罗斯的Proskurovshy和Ozur教授在Tomsk强流研究所设计和开发了首台实用性电子束（EB）,并成功用于材料的表面改性后，这一技术以其卓越的可靠性、安全性、高效性低成本等优点，越来越多地被用于金属表面的其他应用上。 应用情况及存在的问题： 该文利用电子束扫描表面强化技术对铝合金表面进行强化，效果显著，为提高铝合金材料耐磨性的改善提供了重要的依据。结合该论文研究的电子束扫描铝合金表面强化技术的研究，还有很多方面需要做进一步的研究：铝合金表面添加粉末颗粒大小对铝合金组织和性能的影响可以做进一步的讨论；在研究电子束表面合金化时，合金层的组织以及合金层和基体的结合问题，还可做进一步的研究。在进行温度场分析时，还可加入对试样熔化后出现的熔池进行流场分析，以修正温度场的分布。在对电子束表面过程熔池流场进行仿真时，添加相关合金颗粒，研究合金颗粒在熔池中的分布规律。建立温度场-应力场-组织场三场耦合的模型，考虑温度和组织对应力的影响，并考虑应力场对温度和组织的影响，得到三场之间相互作用的规律和各场的分布规律； 历年获奖情况：无。 成果简介：要向社会公开，请不要填写商业秘密内容。已经完成了研究内容的技术调研，文献检索及阅览总结，具体研究方案及技术路线的制订工作。结合热流耦合模拟的发展，建立了铝合金电子束表面扫描处理的数学物理模型，通过仿真得到了熔凝过程中温度场、应力场及速度场三场的分布规律，并进行了部分实验研究工作；基于所建立仿真模型，讨论了下束时间对束斑尾迹线的影响；分析了热处理过程中的延迟效应，并研究了经扫描处理后试样的表面变形。研究了电子束扫描工艺参数对熔池形态、相组成、表面强化层组织和性能的影响，确定了最佳的电子束扫描工艺参数。研究了铝合金电子束表面扫描添加纳米Fe-Al混合粉对铝合金表面性能的影响，探讨了纳米Fe粉含量对铝合金表面性能的影响规律，获得了高能电子束的工艺参数与铝硅合金表面添加纳米铁－铝混合粉材料的最佳配比；利用价电子理论分析了电子束扫描铝合金过程中熔凝机理；并进行了铝硅合金电子束扫描表面熔凝的试验；讨论了硅相的形态演变及其对合金性能的影响；分析了硅相中心产生裂纹的原因；研究了熔化过程中液态金属的流动规律和流动过程中温度场的分布规律；讨论了电子束工艺参数对考虑流动因素时的流场与温度场的影响规律。利用HDZ-3型号的电子束焊机对6061铝合金表面进行了电子束直线扫描处理，分析了硬化层的组织和性能；讨论了电子束工艺参数对硬化层组织和性能的影响规律。研究了电子束表面处理过程中，热源模型选择的合理性；建立了45钢电子束相变硬化过程中温度场与组织场双向耦合的数学模型，并对该两场非线性条件下双向耦合模型进行了求解；进行了相应电子束相变硬化实验。基于所建相变硬化数学模型，研究了45钢电子束相变硬化中温度场与组织场的双向耦合机理，研究了电子束工艺参数对硬化形状和尺寸的影响，研究了硬化区硬度分布规律。对45钢表面相变硬化、表面熔凝、表面合金化进行了实验，研究了不同表面处理方式下硬化区的硬度分布规律和工艺参数对组织和处理区硬度的影响。