强流脉冲电子束作用下镍基高温合金GH4169的微观结构及腐蚀性能毕业论文含开题报告外文翻译.docx

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强流脉冲电子束作用下镍基高温合金GH4169的微观结构及腐蚀性能毕业论文含开题报告外文翻译

JIANGSUUNIVERTY

本科毕业论文

强流脉冲电子束作用下镍基高温合金GH4169的微观结构及腐蚀性能

MicrostructureandCorrosionResistanceontheSurfaceofNickel-BasedSuperalloyGH4169InducedbyHigh-CurrentPulsedElectronBeam

学院名称：

材料科学与工程学院

专业班级：

金属1002班

学生姓名：

**

指导教师姓名：

###

指导教师职称：

教授

2014年6月

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

开题报告

1.与本课题有关的国内外研究情况：

Markov等人研究了电子束轰击处理材料表面后内部温度场的变化。

并提出了相应的温度场拟合模型，并得到了很好的实验验证。

Proskurovsky等人研究发现经过电子束轰击处理后的材料浅表层会出现熔化的现象，第二相会熔融后形成过饱和的固溶体，使得材料耐磨损性能和抗腐蚀性能提高。

Pogrebnjak等人研究了材料表面合金化的性能表征和电子束改性技术对微观结构的作用

###等以纯Al,20#,45#,1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢和304不锈钢为研究材料，对HCPEB表面改性后表面熔坑的形成机制、碳钢表面纳米化与非晶化的形成机制、应力波的产生与传播以及对表面改性机制的影响、由强流脉冲电子束诱发的超快速加热和冷却引起的变形行为和机制进行了研究。

尤其是对面心立方金属中的空位簇缺陷的产生和演化机制进行了深入的研究。

邹慧对经过强流脉冲电子束轰击后的DD3镍基单晶高温合金表面进行耐热腐蚀和耐高温氧化的性能测试，结果表明轰击提高了合金的耐热腐蚀和耐高温氧化性能。

邱冬华等在研究强流脉冲电子束作用下纯镍表面的应力特征发现，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。

2.本课题研究的主要内容及方法：

本课题研究的主要内容是利用强流脉冲电子束HCPEB技术对镍基高温合金GH4169合金进行表面处理，并对其诱发的表层微观结构并利用光学显微镜（OM），扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射和透射电子显微镜（TEM）等手段对合金的表面微观结构进行详细的表征和分析，进行详细分析，重点研究表层微观结构及其与耐蚀性之间的联系。

3.本课题所需要解决的问题：

在强流脉冲电子束轰击材料的瞬时过程中,较高的能量（108~109W/cm2）在非常短的时间内（几纳秒到几微秒）作用在材料的表层,造成材料表面极为快速地加热和冷却,在此过程中诱发的应力场能够诱发幅值极大、应变速率极高的应力,使材料表面发生快速而强烈的变形,从而造成特殊的改性效果,尤其是抗腐蚀性能得到明显改善。

详细表征并建立这些合金表面微观结构与其乃腐蚀性能的联系还需要大量研究。

4.预期结果及其意义：

GH4169是一种铁镍铬基变形高温合金，其相组成为基体相γ（Ni3Al）、平衡相δ（Ni3Nb）和强化相γ’（Ni3Al、Ti）、γ’’（Ni3Nb）。

GH4169合金服役温度范围为-253~650℃，在这一温度区间内该合金具有高的抗拉强度、屈服强度、持久强度和塑性，同时具有良好的抗辐照、热加工及焊接性能，因而主要用于航空、航天及核能、石化领域关键材料的制备，在航空发动机中的应用最为广泛。

但针对其耐蚀性研究较少。

HCPEB辐照后表面熔化，形成了重熔层。

辐照过程中产生的强烈塑性变形引起位错密度的增加，产生大量滑移线，快速的凝固使重熔层中形成纳米结构，材料的耐蚀性明显提高。

5.可行性分析：

与传统方法不同，HCPEB与材料之间的相互作用十分短暂而强烈，我们利用HCPEB对镍基高温合金进行处理，造成材料表面瞬间内即可出现许多新的结构现象。

相关文献表明，强流脉冲电子束（HCPEB）技术可以提高金属材料表面的耐蚀性，由于材料的腐蚀通常优先发生在表层的夹杂物处，因而表层选择性净化能够有效的提高材料的耐蚀性。

辐照过程中由于表层的快速熔化和凝固，致使其微观结构的不规则性逐渐消失，最终形成致密的单相重熔层。

在脉冲电子束轰击材料的瞬时过程中，较高的能量（108~109W/cm2）在非常短的时间内（几纳秒到几微秒）作用在材料的表层，造成材料表面极为快速的加热和冷却，使得材料表层熔化、蒸发并快速凝固，形成致密的重熔层，最终可提高其耐蚀性。

鉴于上述特点，本课题具有一定可行性。

6.完成课题的各阶段工作具体安排：

1

2.24-3.20

课题调研、英文资料翻译、读书报告撰写

2

3.20-3.31

设计实验方案，熟悉实验原理及过程

3

4.01-5.20

强流脉冲电子束辐照试验，实验结果分析

4

5.20-6.05

毕业论文撰写

5

6.05-6.08

毕业论文审阅、答辩

JIANGSUUNIVERSITY

外文翻译

强流脉冲电子束作用下定向凝固镍基高温合金DZ4的表面处理

SurfacetreatmentofDZ4directionallysolidifiednickel-basedsuperalloybyhighcurrentpulsedelectronbeam

学院名称：

材料科学与工程学院

专业班级：

学生姓名：

指导教师姓名：

指导教师职称：

教授

2014年6月

强流脉冲电子束作用下定向凝固镍基高温合金DZ4的表面处理

摘要：

利用强流脉冲电子束（HCPEB）技术对定向凝固镍基高温合金DZ4进行了表面处理。

改性表面层的显微结构变化可以与其耐蚀性能联系在一起。

结果发现，由于在枝晶间区域优先发生的熔坑的形成，处理后的表面随着HCPEB脉冲的数量的增加而变得粗糙。

在施加更多的HCPEB脉冲的条件下重熔层的厚度稍微增加，并且在10次辐照后，重熔层达到约3μm。

在0.5mol/L的硫酸溶液中测得改性表面的耐腐蚀性表现出有效提高。

通过HCPEB表面处理后表面的净化效果特点讨论影响DZ4合金的耐蚀性的因素。

关键词：

强流脉冲电子束;表面;定向凝固镍基高温合金;微观结构;腐蚀

1.引言

在过去数年间，强流脉冲高能束如离子束、电子束和激光束与材料的相互作用已被广泛研究。

在这些脉冲束技术中，强流脉冲电子束（HCPEB）较脉冲激光束和离子束以其高效率、简单性和可靠性占有重要的优势。

在HCPEB的照射下，表层快速加热和冷却循环以及热和冲击应力的形成引起表面性能的改善，这种改善是常用技术通常无法达到的。

在近期的论文中，有人指出用HCPEB处理来进行表面改性可使金属材料的耐腐蚀性能得到改善。

“选择性喷发”效应使得碳化物或析出物成为熔坑的优先形核位点，该效应证实强流脉冲电子束对抗腐蚀性的改善作出了显著贡献。

在这个过程中微结构的不规则会逐渐消除，熔化和凝固的快速循环导致单相组成的表面层的形成。

最终，没有形成熔坑的位置形成了均匀的表面保护层。

高温合金是镍基耐高温材料为得到优异的抗蠕变性能发展而得。

抗蠕变性能的提高可以通过优化晶体结构以及析出相来实现。

因此，用作涡轮叶片的高温合金现在经常通过定向凝固技术进行处理，从而形成柱状晶以及比例极高的连续析出相（通常大于50％）。

本实验旨在证实HCPEB引起的表面净化过程的有效性。

选择DZ4定向凝固镍基高温合金作为试验材料，研究表面改性层的显微组织变化特征和其对耐蚀性的影响。

2.实验

本实验是在型号为Nadezhda-2的HCPEB设备进行的，这台设备可产生加速电压10~40千伏、峰值电流102~103A/cm2、脉冲持续时间0.5~5μs和横截面面积达30cm2的的电子束​​。

更多细节查看参考文献。

DZ4定向凝固高温合金因其优良的服役性能用来制造一些新模型战斗机的涡轮叶片。

它的化学成分（wt.％）为0.16C，10.0Cr，6.0Co，5.8W，4.2Mo，6.4Al，2.2Ti，2.0Fe，0.02B和其余为Ni。

定向凝固结构是由沿〈001〉轴生长方向的平行柱状晶粒组成的。

凝固过程中导致γ/γ'共晶和少量的碳化物和硼化物在枝晶间的区域弥散析出。

从铸锭沿生长方向横向切成为尺寸15×12×2mm3的样品，在研磨，抛光和用乙醇清洗后，再用以下参数经HCPEB处理：

加速电压25.2kV、辐照次数2，5和10。

表面层显微组织的改变通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）进行了表征。

改性表面的粗糙度用最小分辨率为0.2nmNewview5022型号的3-D激光粗糙度仪测定。

X-射线衍射（XRD）由XRD-6000设备进行测量，以检测其表面层中的相组成的变化。

腐蚀试验在一个传统的三电极设置进行，在室温下、0.5mol/L的硫酸溶液中进行动电位极化测量。

3.结果和讨论

图1展示在不同HCPEB脉冲表面处理后的DZ4试样。

熔坑形成于辐照表面，且优先形成在枝晶间区域内。

对于较少的HCPEB脉冲（2次或者5次脉冲），熔坑的大小具有较大的变化范围——从几微米到超过30μm，如图1a所示。

当增加HCPEB脉冲数，熔坑的数目减少，同时，一些尺寸大的熔坑保留下来，如图1b所示。

熔坑在枝晶区域形成可用选择性净化（由于定向凝固微观组织枝晶区域中的大的碳化物，硼化物和共晶区的存在）来解释，相比之下，分散在基体中的高度弥散的析出物没有发挥作为优先形核位置的显著作用。

与碳化物或硼化物的第二阶段相比，分散的γ’析出物与γ基体具有非常相似的热学性能，且与基体共格。

它们在大小上也较相似，小于0.5μm。

所以，熔坑形核靠近枝晶区中大的碳化物，硼化物和共晶区。

此外，由于大熔坑在较多HCPEB脉冲的处理下形成，DZ4处理的样品的表面粗糙度逐渐增大，如表1所列。

图2给出HCPEB处理之前和处理之后的DZ4样品横截面SEM图像。

相比与图2a所示的初始状态，可以清楚地观察到重熔层不同的微观结构特征，如图2b–c中所示。

在重熔层中，连续的析出物消失。

在重熔层下，是热影响区（HAZ），其特征在于部分溶解的沉淀物。

伴随着HCPEB脉冲次数增加，重熔层的厚度稍有增加。

5次辐照后，重熔层厚度约为2μm，10次辐照后，厚度增加到3μm。

这种增加是与钢中熔融的结果一致，这是由于极短时间间隔中，多次HCPEB辐照处理在基体材料中的热积累效应。

图3展示了HCPEB处理前后DZ4试样规范化的X射线衍射图案。

所有的衍射峰可以用来标定面心立方结构的基体相——γ相，以及简单立方结构的Ni3Al金属间化合物——γ'相。

定向凝固处理在<001>方向形成强烈的择优取向，可以通过镍（200）和Ni3Al（200）具有极高强度的峰来确认。

相对于原始试样，在2次HCPEB脉冲处理后，γ相和γ’相的择优取向变得有点分散，这可能是由于照射表面上大量熔坑的形成降低了样品表面的一致性。

但是，随着HCPEB辐照次数增加，在随后的重熔中HCPEB表面改性层相结构变得非常简单，形成γ相和很少的γ'相的，并在<001>方向上表现出完美的择优取向。

此外，镍（200）峰和Ni3Al（200）峰的右移和扩大反映在HCPEB表面改性层时，晶粒细化和压应力状态的形成的影响。

图4显示DZ4样品的极化曲线。

整体极化曲线向较低的电流密度和更高的电位区域的移动可以证明HCPEB处理后DZ4样品的耐腐蚀性的改善。

这些曲线的电化学参数列于表2。

该HCPEB处理的样品腐蚀电位均有所提高，与初始样本的-258.3mV相比，5次脉冲HCPEB处理后达到-107.5mV。

此外，对于处理过的样品，腐蚀电流减小一个数量级。

最后，10次辐照后，清楚地反映了耐蚀性的改善。

图5给出了腐蚀处理后的腐蚀面比较。

相比于初始样本，测试表面已严重腐蚀同时形成许多深腐蚀坑。

才10次辐照样品部分腐蚀，大多数测试表面仍保持原状具有良好的覆盖重熔层。

耐腐蚀性的改善应该由HCPEB处理后，DZ4样品的被照射表面上形成的均匀保护膜进行说明。

根据所提到的分析，当重熔层在溶解高度弥散分布沉淀后的压缩状态下具有非常细的显微组织时，碳化物，硼化物和共晶体局部富集在枝晶间的区域可以被有效地通过选择性喷发过程从被照射的表面上除去。

这些过程同时赋予DZ4处理的样品具有改进的耐腐蚀性。

致谢

作者要感谢科研基金会中国华侨学者以及梅斯大学和大连理工大学之间的佛朗哥中国合作研究计划（2004年）。

实验相关图表如下：

表1DZ4样品表面粗糙度

样品

HCPEB脉冲数

粗糙度（μm）

0

0.008

初始

2

0.022

处理后

5

10

0.041

0.101

表2腐蚀处理获得的电化学参数

样品

HCPEB脉冲数

腐蚀电位（mV）

腐蚀电流

（μA/cm2）

Rp（kΩ/cm2）

0

-258.3

53.50

0.796

初始

2

-147.2

8.422

1.376

处理后

5

10

-107.5

-114.7

8.855

7.793

2.410

2.424

图1DZ4样品25.2kV，2（a），10（b）次辐照后表面形貌

图225.2kV，5（b），10（c）次辐照处理前后DZ4样品横截面SEM图像

图3HCPEB处理前后DZ4试样X射线衍射图

图4HCPEB处理前后DZ4样品的极化曲线

图5DZ4样品腐蚀表面：

原始态（a），10次辐照处理（b）

强流脉冲电子束作用下镍基高温合金GH4169的

微观结构及腐蚀性能

专业班级：

学生姓名：

指导教师：

职称：

摘要本文简要介绍了高温合金的分类、镍基高温合金的强化、电子束表面改性技术的分类以及强流脉冲电子束作用机理。

利用强流脉冲电子束（HCPEB）技术对镍基高温合金GH4169进行了表面处理，利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对HCPEB诱发的微观结构进行了详细的表征，并考察了HCPEB辐照处理后样品表面的腐蚀性能。

实验结果表明，HCPEB辐照后GH4169合金表面发生熔化并形成熔坑，熔坑密度随辐照次数的增加而降低，尺寸较大的第二相颗粒等可随着熔坑的喷发而清除，进而实现表面净化。

HCPEB辐照后GH4169合金表面形成3-5μm厚的重熔层，重熔层内部以尺寸在100nm左右的纳米晶为主，HCPEB辐照还可在表层诱发强烈的塑性变形，形成高密度的位错及变形孪晶等变形结构。

HCPEB辐照显著地改善了GH4169合金的耐蚀性能，腐蚀性能的改善主要归因于表面净化效应以及表层纳米重熔层和高密度的晶体缺陷的形成，这些微观结构促进了表层钝化膜的形成，起到保护基体的作用。

关键词：

强流脉冲电子束GH4169镍基高温合金表面熔坑纳米晶腐蚀性能

MicrostructureandCorrosionResistanceontheSurfaceofNickel-BasedSuperalloyGH4169InducedbyHigh-CurrentPulsedElectronBeam

AbstractThispaperdescribestheclassificationofhigh-temperaturealloys,nickel-basedsuperalloysstrengthening，theclassificationofelectronbeamsurfacemodificationtechnologiesandthemechanismofhigh-currentpulsedelectronbeam.High-currentpulsedelectronbeam（HCPEB）techniqueisappliedforthesurfaceirradiationofnickel-basedsuperalloyGH4169.ThemicrostructuralchangesinducedbyirradiatedareinvestigatedindetailtogetherwiththeircorrosionpropertybyX-raydiffraction,scanningelectronmicroscopy（SEM）andtransmissionelectronmicroscopy（TEM）.Theexperimentalresultsindicatethattheirradiatedsurfacesaremeltedandmanycrat