在高温下对Ni-3Al金属间化合物进行低能量高电流脉冲电子束处理：对其微观结构和显微硬度的影响

《Vacuum》：Low-energy high-current pulsed electron beam processing of Ni 3Al intermetallic compound at elevated temperature: the effect on microstructure and microhardness

表面改性中低能高电流电子束（LEHCEB）处理温度对Ni3Al合金残余应力、裂纹密度及显微硬度的影响研究。通过对比25°C、250°C和600°C处理条件，发现高温处理使残余应力降低1.5倍，表面裂纹密度减少2倍，最大宽度降低3.5倍，同时显微硬度提升1.3倍，熔融层厚度增加25%。计算机模拟显示温度梯度降低有效抑制裂纹形成。

　　本文探讨了使用低能高电流脉冲电子束（LEHCEB）处理Ni?Al金属间化合物时，通过预加热材料以减少表面裂纹形成的效果。研究的主要目标是分析处理温度对材料微观结构、残余应力、表面裂纹密度以及显微硬度的影响。LEHCEB技术是一种利用高能量密度的电子束对材料表面进行快速加热和冷却的表面处理方法，能够显著改变材料的表面性能，如硬度、耐磨性、耐腐蚀性等。然而，处理过程中产生的高内部应力可能导致脆性材料表面出现裂纹，从而削弱LEHCEB处理带来的正面效果。

在研究中，采用了不同的处理温度（25°C、250°C和600°C）对Ni?Al材料进行LEHCEB处理，并通过计算机模拟计算了处理过程中材料表面附近的温度分布。模拟结果与实验数据相吻合，表明当处理温度提高到600°C时，材料表面的残余应力比在室温下处理时降低了1.5倍。此外，处理温度的升高还导致了表面裂纹密度减少一半，最大裂纹宽度减少了3.5倍，熔融层厚度增加了25%，显微硬度提高了1.3倍。这些结果表明，通过提高处理温度，可以有效降低材料表面的内部应力，从而减少裂纹的形成，并提升材料的综合性能。

Ni?Al金属间化合物因其在高温下的优异机械性能而受到材料科学家的关注。在650至1100°C的温度范围内，其抗拉和抗压性能表现出色。同时，其屈服强度在600至900°C之间呈现出异常的正温度依赖性，具有良好的抗氧化性和耐磨性，这些特性使其在高温环境下具有广泛的应用前景。Ni?Al基合金被用于制造航空发动机部件、水轮机和水泵的转子，以及汽车组件等。此外，它还被提议作为金属陶瓷合金中的粘结剂，以替代广泛使用的钴。

在先前的研究中，已经探讨了LEHCEB处理对Ni?Al及其与TiC复合材料在室温下的影响。研究发现，处理后材料的显微硬度和耐磨性有所提高，但同时表面裂纹的形成也导致了处理效果的削弱。因此，研究LEHCEB处理过程中对Ni?Al材料进行预加热以减少表面裂纹的形成具有重要意义。一方面，处理温度的提高可能会降低内部应力，从而减少裂纹密度；另一方面，Ni?Al在高温下的延展性增加也可能有助于减少裂纹的形成。

为了实现这一目标，本文设计了一种实验方案，对Ni?Al材料进行不同温度下的LEHCEB处理。材料是通过自蔓延高温合成法（SHS）从铝和镍粉末的混合物中制备而成。实验样品的尺寸为15×15×1 mm，从圆柱形坯料的中心部分沿垂直于其轴线的方向切割而成。坯料的直径为58 mm，高度为15 mm。样品在进行LEHCEB处理之前，首先进行了预加热处理，以达到不同的处理温度。

通过X射线衍射（XRD）分析，研究了材料在不同处理温度下的相组成和微观结构。在未经过LEHCEB处理的样品中，XRD图谱显示出主要的Ni?Al相峰，同时存在一些较弱的NiAl和Ni相峰，这表明自蔓延高温合成过程中可能存在不完全反应。随着处理温度的提高，这些相峰的宽度和强度发生了变化，反映了材料表面微观结构的改变。

此外，本文还探讨了LEHCEB处理过程中内部应力的变化机制。在处理过程中，由于电子束的快速加热，材料表面附近的层会迅速升温至熔点甚至沸点，随后通过向材料内部的热传导迅速冷却。这种快速加热和冷却的过程会导致内部应力的形成，进而可能引发表面裂纹。通过预加热处理，可以降低材料表面与内部之间的温度梯度，从而减少内部应力的水平，防止裂纹的产生。

在实验过程中，使用了计算机模拟来研究LEHCEB处理时材料表面附近的热传导过程。模拟结果显示，处理温度的提高能够显著降低温度梯度，从而减少内部应力。这一发现与实验结果一致，表明在高温下处理Ni?Al材料可以有效改善其表面性能，同时减少裂纹的形成。

本文的研究结果表明，LEHCEB处理对Ni?Al材料的性能具有显著影响。提高处理温度能够减少裂纹密度和裂纹宽度，同时增加熔融层厚度和显微硬度。这些变化主要归因于处理过程中内部应力的降低以及材料延展性的改善。因此，LEHCEB处理在高温下的应用可能为提高材料的性能提供新的思路。

研究还指出，虽然LEHCEB处理在高温下能够改善材料的性能，但实现这一目标需要考虑技术上的可行性。目前，大多数LEHCEB处理设备的脉冲持续时间较短，通常在2至4微秒之间。而一些较长脉冲的电子束处理设备（脉冲持续时间可达20至250微秒）虽然能够减少温度梯度，但并不能完全防止表面裂纹的形成。这表明，仅靠延长脉冲持续时间并不能有效解决高温处理中的裂纹问题，而预加热处理可能是一种更有效的解决方案。

在实际应用中，LEHCEB处理技术可以用于改善材料的表面性能，特别是在高温环境下。由于Ni?Al材料在高温下具有良好的机械性能，因此其在航空、能源和汽车等领域的应用前景广阔。通过预加热处理，可以进一步优化LEHCEB处理的效果，减少裂纹的形成，提高材料的综合性能。

综上所述，本文通过实验和模拟相结合的方法，研究了LEHCEB处理对Ni?Al材料的影响。研究结果表明，提高处理温度能够有效减少裂纹密度和裂纹宽度，同时增加熔融层厚度和显微硬度。这些变化主要归因于内部应力的降低和材料延展性的改善。因此，LEHCEB处理在高温下的应用可能为提高材料的性能提供新的思路。此外，研究还指出，预加热处理是一种更有效的解决方案，能够减少裂纹的形成，提高材料的综合性能。这一发现对于未来材料表面处理技术的发展具有重要意义。