Диссертация (1144175), страница 9
Текст из файла (страница 9)
2.15. Общий вид установки ГЕЗА-1На рис. 2.14 показана зависимость максимальной длительности импульсапучка от энергии электронов для стали и титана, при которой реализуетсяРис. 2.16. Общий вид установки ГЕЗА-257адиабатический режим нагрева. Микросекундный диапазон длительностиимпульса удобен для управления параметрами пучка за счет изменениядлительности импульса. Он также необходим для достижения требуемойплотности энергии в случае, когда камера обработки отделена от инжектораэлектронов каналом дрейфа, который ограничивает максимально достижимыйток пучка. Исходя из этих соображений, были выбраны параметры ускорителейГЕЗА. На рис.
2.15 и 2.16 показаны общие виды установок ГЕЗА-1 и ГЕЗА-2.2.2.3. Расчётно-теоретические оценки режимов обработкиВ настоящей работе проводились исследования режимов обработкиэлектроннымипучкамисцельюповышенияихмикротвердостииизносостойкости для трёх видов материалов: нержавеющая сталь 08Х18Н10Т,титановый сплав 3М и бронза марки БрАЖНМц 9-4-4-1 [65].Для уменьшения временных и материальных затрат были проведенырасчёты режимов воздействия МИЭП на поверхность плоских образцов изисследуемых материалов.
Расчеты нагрева и плавления мишени осуществлялисьв два этапа. На первом этапе методом Монте-Карло моделировался энерговкладпучка электронов в материал мишени.Для сокращения времени расчета траектория электрона разбивается наотдельные равные шаги, а для расчета потерь энергии на единицу длиныиспользуется приближение непрерывного торможения. Для учета угловогорассеяния предполагается, что на каждом шаге интегрирования электронизменяет направление движения только один раз.
Причем это происходит напроизвольном отрезке шага, длина которого определяется по таблице случайныхчисел. Угол рассеяния вычисляется по теории многократного рассеяния. Приналичии достаточно сильного продольного магнитного поля отраженные отмишени электроны возвращаются обратно на мишень и нагревают ее. Поэтомукомпьютерная программа, применявшаяся для проведения численных расчетовпо модели Монте-Карло, предусматривает возможность учета энерговлада от58многократно отраженных электронов. В результате расчета определяетсяпространственно-временное распределение удельной мощности ввода энергиипучком в мишень q ( x, t ) .На втором этапе при известной мощности энерговклада рассчитываютсянагрев и плавление мишени. В расчетах варьируются плотность тока идлительностьимпульсаиопределяютсяпространственно-временныераспределения температуры в мишени и границы области расплава.
Базовымуравнениемдляэтихрасчетовявляетсянелинейноеуравнениетеплопроводности, учитывающее зависимость физических свойств материаламишени от температуры. Плавление описывается в стефановском приближении.Численноемоделированиеэтогоэтапаосуществлялосьспомощьюкомпьютерной программы ОРИОН.Расчеты проводились применительно к наиболее характерным дляэкспериментов рабочим условиям: энергия электронов 120 кэВ, варьировалисьдлительность импульса (15 – 45 мкс) при фиксированной плотности тока пучка8 А/см2. Результаты расчётов представлены на рис. 2.17 – 2.20.
На рис. 2.17приведены результаты расчетов энерговклада в однослойных мишенях.100Ti, U=120kV, h=200mkmэнерговклад МеВ/см8050энерговклад, MeV/cmНержавейка,пучок: 120 кэВ4030604020201000050100mkmа)150200020406080100глубина проникновения, мкмб)59сплав БрАЖНМц:82% Cu, 9% Al, 4% Ni, 4% Fe, 1% Mn.пучок: 120 кэВэнерговклад МеВ/см100806040200020406080глубина проникновения, мкмв)Рис. 2.17. Распределение энерговклада в мишенях при энергии электронов пучка 120кэВ: a) – титан 3М, б) –сталь 08Х18Н10Т, в) –БрАЖНМцДля однослойных мишеней максимум энерговклада располагается вблизиповерхности мишени. Величина удельного энерговклада больше для мишени сбольшей массовой плотностью – т.е. для стали и бронзы по сравнению ститановым сплавом.На рисунках 2.18 – 2.20 изображены положения границы расплава приразличных значениях поверхностной плотности энергии пучка.
Эти графикипоказываютдинамикуизмененияфизическогосостоянияматериалаоднослойных мишеней под воздействием электронного пучка. Приведенные нарисунках результаты расчетов позволяют определить диапазон режимовоблучения мишеней, исходя из требуемых толщин модифицированного слоя.22Ti, U=120kV, tpalse=16mkc, j=8A/cm2W=15J/cm161814глубина проплава,мкмTi, U=120kV, tpalse=21mkc, j=8A/cm2202глубина проплава,мкм18121086W=20J/cm216141210864422000204060time,mkcа)80100020406080100120140160180time,mkcб)20060глубина проплава,мкм25Ti, U=120kV, tpalse=26mkc, j=8A/cm220W=25J/cm2100140151050020406080120160180200time,mkcв)Рис.
2.18. Положение границы плавления в мишени из титана 3М при плотностиэнергии пучка 15 Дж/см2 – (а), 20 Дж/см2 – (б) и 25 Дж/см2 – (в)Нержавейка,2 =31mkc, U=120kV, j=8A/cm2W=30J/cm16148глубина проплава, мкмглубина проплава, мкм976543222012плотность энергии, Дж/см10862глубина проплава, мкмНержавейка,2 =21mkc, U=120kV, j=8A/cm2W=20J/cm10Нержавейка,2 =42mkc, U=120kV, j=8A/cm2W=40J/cm18161412108644222100001020304050607080900100102030405060708090010010203040506070б)а)8090100t, mkct, mkct, mkcв)Рис 2.19.
Положение границы плавления в мишени из стали 08Х18Н10Т приплотности энергии пучка 20 Дж/см2 – (а), 30 Дж/см2 (б) и 40 Дж/см2 (в)Cплав БРАЖНМЦ - 100mkm,2 =30mkc, U=120kV, j=8A/cm2W=28.8J/cm2510864Cплав БРАЖНМЦ - 100mkm,2 =40mkc, U=120kV, j=8A/cm2W=38.4J/cm3530глубина проплава, мкмглубина проплава, мкм12глубина проплава, мкмCплав БРАЖНМЦ - 100mkm,2 =20mkc, U=120kV, j=8A/cm2W=19.2J/cm142015102520151055200000204060timeа)80100204060time80100t, mkc0204060time80100t, mkct, mkcб)в)Рис. 2.20. Положение границы плавления в мишени из бронзы БрАЖНМц приплотности энергии пучка 19,2 Дж/см2 – (а), 28,8 Дж/см2 – (б) и 38,4 Дж/см2 – (в)Поверхностная плотность энергии пучка (наряду с кинетической энергиейэлектронов) является наиболее важной характеристикой режима облучения,определяющей максимальную глубину проплава мишени. На рисунке 2.21приведены зависимости максимальной глубины проплавления материалаоднослойных мишеней в зависимости от поверхностной плотности энергии прификсированной энергии электронов 120 кэВ и различных длительностяхимпульса.61Ti, U=120kV, tpalse=16-26mkc, j=8A/cm2Нержавейка,2 =21-42mkc, U=120kV, j=8A/cm22222120193220глубина проплава, мкмглубина проплава, мкмглубина проплава,мкм2318161412282420Cплав БРАЖНМЦ - 100mkm,2 =20 - 40mkc, U=120kV, j=8A/cm2W=19.2 -38.4J/cm1612818104178020161416182022W, J/cm242530263540плотность энергии, Дж/см21820222426283032343638плотность энергии, Дж/см4022а)б)в)Рис.
2.21. Зависимость максимальной глубины расплава мишени от поверхностнойплотности энергии: a) – титан 3М; б) – 08Х18Н10Т, в) – бронза БрАЖНМцПриведенные на данных рисунках результаты расчетов позволяютопределить величину поверхностной плотности энергии, необходимую дляполучения требуемой глубины расплава. Как показывают результаты расчетов,требуемая поверхностная плотность энергии облучения находится в диапазоне15 – 40 Дж/см2. Эта информация определяет требования к параметрам режимаоблучения.Из-за отсутствия точных теплофизических характеристик исследуемыхматериалов результаты расчетов являются недостаточно точными, и поэтому вдальнейшемтребуетсяуточнениережимовобработкипорезультатампроводимых металлографических исследований.
Кроме того, оптимальныйрежим облучения определяется не только глубиной проплава материала мишени,но и требованием отсутствием ухудшения (или даже улучшения) шероховатости(качества) поверхности образцов.2.2.4. Отработка режимов электронно-пучковой обработки образцови исследование образцовЭлектронно-пучковая обработка образцов [65 – 68] в состоянии поставкииз титана 3М, нержавеющей стали 08Х18Н10Т и бронзы БрАЖНМц Ø30 ммтолщиной 4 мм проводилась в режимах, определенных в результате расчетов,приведенных в разделе 2.2.3.Образцы из титана 3М обрабатывались при плотности энергии 15, 20, 25Дж/см2, образцы из стали 08Х18Н10Т и бронзы БрАЖНМц – при плотности62энергии 20, 30, 40 Дж/см2.
Обработке подвергалась только одна поверхностькаждого образца. Количество воздействий пучка на каждый образец – два.После обработки поверхности образца импульсным электронным пучком наней определялась с помощью прибора Mar Surf PS1 шероховатость. Исходнаяшероховатость поверхности была определена до обработки пучком. Результатыизмерений шероховатости приведены в таблице 2.3, на рис. 2.22 приведенызначения Ra для всех трёх исследованных материалов.10.9Шероховатость Ra, мкм0.80.70.60.50.40.3Титан 3МНерж. сталь 08Х18Н10ТБронза БрАЖНМц0.20.105без10обработки15202530Плотность энергии, Дж/см2354045Рис.
2.22. Значения параметра шероховатости Ra до и после облучения электроннымпучкомИз приведенных результатов, что только для титана 3М при всех режимахобработки качество поверхности выше, чем в исходном состоянии. Для сталикачество поверхности во всех случаях хуже, для бронзы качество поверхностивыше только при обработке пучком с мощностью излучения 20 Дж/см2.С целью изучения микроструктуры модифицированного слоя, его толщиныи равномерности его образования были проведены металлографическиеисследования образцов.
Получение изображений модифицированного слоя иизмерение его толщины проводилось на световом63Таблица 2.3Шероховатость образцов до и после электронно-пучковой обработкиМатериалПлотностьэнергииизлучения,Дж/cм215Титан 3М20252008Х18Н10Т304020БрАЖНМц3040Примечание: в числителе – значенияобработки.Средние параметры шероховатости, мкмRa0,194/0,3230,189/0,2700,195/0,2540,650/0,2090,888/0,2920,717/0,3600,282/0,2100,528/0,2430,482/0,210параметров послеRzRmax0,98/1,851,37/2,481,04/1,561,31/2,551,09/1,531,26/2,392,83/1,413,55/1,963,53/1,985,02/2,542,85/2,364,29/3,291,33/1,831,74/2,502,21/1,793,42/2,721,76/1,523,28/2,16обработки, в знаменателе – домикроскопе МЕТАМ-31 с фотографическим комплексом. От каждого образцаотрезался сегмент по хорде длиной 25 – 28 мм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
