强流脉冲离子束辐照TA1与TC4表面形貌特征

孙崇波，张 凤，陈占兴，张 罡，王龙晨

(1.沈阳理工大学 中俄联合高能束流实验室，辽宁 沈阳 110159;2.江苏亚威机床股份有限公司，江苏 扬州 225200)

强流脉冲离子束辐照TA1与TC4表面形貌特征

孙崇波1，张 凤1，陈占兴1，张 罡1，王龙晨2

(1.沈阳理工大学 中俄联合高能束流实验室，辽宁 沈阳 110159;2.江苏亚威机床股份有限公司，江苏 扬州 225200)

强流脉冲离子束(HIPIB)以其高密度能量沉积的特点，被广泛应用在材料表面改性上。本实验采用用强流脉冲离子束脉冲辐照工业纯钛TA1与钛合金TC4，实验参数为：束流结构为70%C++30%H+，加速电压为250kV，束流密度为170～200A/cm2，束流脉冲宽度为80ns。分别研究5次、10次、15次和20次辐照下表面形貌特征。结果表明：辐照后材料表面在热力学作用下先后形成带状发亮“山脊”及环状起伏形貌；在表层选择性烧蚀作用下形成内部光滑的凹坑，在亚表层喷发作用下有中间带空洞的凹坑产生；随着辐照次数的增加，材料表层及亚表层的成分及结构趋于均匀，热传导及力学作用亦趋于稳定平衡，TA1表面起伏和凹坑逐渐减少甚至消失，逐渐趋于光滑；由于相界的存在，TC4表面还有少数相界处选择性烧蚀及喷发所形成凹坑。

强流脉冲离子束;TA1;TC4;凹坑

强流脉冲离子束(HIPIB:High-Intensity Pulsed Ion Beam)指的是脉冲宽度小于1μs，能量可达上百KeV甚至MeV的离子束，强流脉冲束流能量密度可达几十A/cm2甚至几百A/cm2，在靶材表面的射程小于10μm。由于离子束流携带着大量的能量，在入射靶材表面时，会在靶材表面实现高密度的能量沉积，使靶材表面急剧升温(108～1011K/s)、急剧降温(108～109K/s)，在靶材表面发生显著热量、质量与动量的传输，导致靶材表面表面形貌、化学成分、结晶状态、晶体结构的变化。从而导致靶材表面的摩擦性能、耐腐蚀性能、显微硬度等性能发生变化[1-4]。

材料表面辐照后，在熔化凝固区域会出现细晶，甚至非晶和纳米晶等非平衡组织，从而导致表面性能的变化；但是，束流与材料表面交互作用的热学和力学效应，将会导致表面出现凹坑等表面典型形貌，影响材料的相关力学性能。

前期研究表明，不同材料表面凹坑具有不同的形成机理[5-7]，对于钛合金表面凹坑的形成机理依然存在不同的解释[8-10]，本文针对工业纯钛和钛合金，实验研究典型辐照参数下，不同相结构和化学成份材料表面凹坑的形成机理及形貌变化规律。

1 实验材料及方法

本实验利用沈阳理工大学中俄联合高能束流实验室TIA-450型离子加速器辐照TA1工业纯钛(φ15mm×10mm)与TC4钛合金(φ8mm×10mm)试样，其各自化学成分及力学性能分别如表1和表2所示。两组试样的辐照次数分别为5、10、15和20次，用德国蔡司Axiovert200MAT金相显微镜分别观察两组试样辐照前后的表面形貌变化，并对表面形貌变化进行分析。

表1 TA1与TC4的化学成分 wt%

表2 TA1与TC4的力学性能

2 实验结果及分析

2.1 辐照前表面形貌

图1为辐照前TA1与TC4的表面形貌，TA1由α相构成，TC4由黑白相间的α相与β相共同构成。

2.2 辐照后表面形貌

5次辐照TA1与TC4后的表面形貌如图2所示。

5次辐照后(图2a、2b)，两种靶材表面在高温作用下均沿着划痕方向发生了重熔及后续快速凝固，在靶材表面形成了带状发亮的“山脊”。这种起伏形貌是每次辐照后快速凝固时离子冲击温度和冲击力不均匀分布的累积结果。划痕产生的表面微观起伏的几何不均匀性增加了起伏发生的趋势，并且划痕方向与带状起伏具有显著的位向关系。

5次辐照后，材料表面还存在平均直径约5μm的凹坑。由于每次辐照入射离子及能量在靶材表面分布不均，导致表面温度分布不均匀[11-12]，表面温度较高位置会在高温作用下优先烧蚀，并且，晶界与相界处存在低熔点元素夹杂与空位等缺陷相对集中，也会诱发熔化表面优先烧蚀，烧蚀等离子体体积迅速膨胀喷发，同时产生反冲应力，在融化的下表层形成凹坑，而快速凝固金属来不及回填，形成内部较为光滑的凹坑。

图1 辐照前表面形貌

图2 5次辐照后表面形貌

前期研究表明，HIPIB辐照会导致熔化层局部的亚表层过热，这种过热具有更高的温度和像外表面的压力[13-14]，从而引起亚表层过热液态部分穿过最外层金属液向外火山式喷发，快速凝固后在材料表面留下火山口状的凹坑，这种凹坑具备内部核心喷发后填充的空洞。

5次辐照后，两种材料辐照形貌基本相同，说明单相和双相的材料结构对辐照形貌基本没有影响，入射离子在材料表面引发的热力学效应和材料表面的几何不均匀性影响着材料表面的辐照形貌。

10次辐照TA1与TC4后的表面形貌如图3所示。10次辐照后，两种材料表面带状发亮山脊均消失，取而代之的是环状起伏。

随着辐照次数的增加，材料表面的几何不均匀性在烧蚀作用下逐渐消失；入射离子裹挟的离子团簇作用在熔融金属表面，表层及亚表层喷发产生的强烈冲击波作用在熔融金属表面，均会造成金属液扰动，形成环状形貌起伏。

在10次辐照后的凹坑形式与5次辐照基本相同，说明该辐照次数下，凹坑形成的机理依然是选择性烧蚀和亚表层过热。

15次辐照TA1与TC4后的表面形貌如图4所示。15次辐照后，两种材料表面凹坑及起伏数量减少，表面较为平整。

辐照次数增加，随着烧蚀与喷发的进行，材料表层及亚表层的成分及结构趋于均匀，热传导及力学作用亦趋于稳定平衡，由其引发的烧蚀与喷发也就随之减少，造成凹坑与起伏减少，导致表面较之前平整。

20次辐照TA1与TC4后的表面形貌如图5所示。20次辐照后，TA1表面变平整，凹坑、起伏等表面形貌消失；但是，TC4表面仍有少数凹坑存在。

图3 10次辐照后表面形貌

图4 15次辐照后表面形貌

图5 20次辐照后表面形貌

辐照次数达到20次后，表层和亚表层的成分和结构更趋于均匀，导致力学作用及热传导趋于稳定平衡，引发的烧蚀和喷发减少，表面凹坑数量减少且形貌起伏程度降低，表面变的更加平整。但是，TC4同TA1相比，凹坑依然存在，说明同单相界面的TA1相比，TC4试样的两相界面存在成分和微观缺陷上的差异，导致选择性烧蚀与喷发，致使表面凹坑依然存在。说明两相相界的存在依然是诱发选择性烧蚀和凹坑形成因素。

3 结论

(1)经HIPIB辐照后，由于HIPIB的高密度能量沉积，TA1与TC4表层及亚表层发生烧蚀、熔化和快速凝固，形成表面起伏及凹坑形貌。

(2)随着辐照次数增加，表层与亚表层成分、结构趋于均匀，热力学作用趋于稳定平衡，引发的选择性烧蚀与喷发减少，凹坑与表面起伏随之减少，表面较之前平整。

(3)靶材表面凹坑是由烧蚀等离子体反冲形成的，而在表面化学成分与几何结构不均匀性程度较低的情况下，双相界面的存在成为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

孙崇波(1988—)，男，硕士研究生；通讯作者：张罡(1963—)，男，教授，博士，研究方向：材料表面先进改性技术.

1003-1251(2014)05-0058-05

TG174.44

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