7075铝合金脉冲电子束表面处理

摘 要：近年来，利用强流脉冲电子束进行材料表面改性成为迅速发展起来的一门新技术。本文将7075铝合金进行了强流脉冲电子束表面改性处理，并且利用金相显微镜，扫描电镜等手段分析研究了经表面电子束处理后组织的变化，对7075铝合金处理试样进行了分析，在不同电流，电压和不同的脉冲轰击次数下观察表面形貌的变化，粗糙度的变化。并对电子束改性试样的截面进行观察。

实验结果表明：经过处理的铝合金表面形成熔凝层，表面粗糙度降低，而随着脉冲电流增大，材料粗糙度由小变大。而随着脉冲电子束轰击次数的增多，材料粗糙度由小逐渐变大再逐渐变小。而随着脉冲电压增大，材料粗糙度逐渐变小。

关键词：强流脉冲电子束； 铝合金； 表面改性

引言

铝合金具有质量轻、耐腐蚀、外观平整度好、容易制造复杂曲面、比强度高等优点点，是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用[1-3]。强流脉冲电子束表面处理具有能量利用率高、工艺可控、无污染等优点，能有效改变样品表层的成分分布及显微组织结构，进而提高材料的硬度、降低摩擦磨损及腐蚀等表面性能[4，5]。本文主要研究在不同电流，电压和不同的脉冲轰击次数下观察表面形貌的变化，粗糙度的变化。

1. 实验材料及设备

1.1 样品的制作及处理

取一块7075铝合金材料，表1为7075铝合金的化学成分，通过手锯切割成15mm宽13mm厚6mm左右的形状后，用手工抛光先用80#砂纸初磨至试件平整后，再通过100#，240#，进行初抛光，然后再用800#，1000#，1500#进行精抛光，让后把试样放入式样袋中，防止空气氧化。

1.2 实验设备及参数

实验采用Nadezhda-2型强流脉冲电子束（HCPEB）系统，将10个试样放入到脉冲电子束真空处理器当中，分别用不同的电压和电流对试样进行电子束表面处理，所采用的电压为分别为11KV，12KV，13KV，14KV，所采用的电流分别为120A，140A，160A，180A然后采用适当的电流电压搭配对试样进行轰击实验，轰击的次数分别为5次，10次，15次，轰击处理完毕后将试样取出，并标上该试样接受处理时的电压，电流及次数，以为了与其他的各个试样做比较，并装袋封存。以下是进行过脉冲电子束冲击实验的试样记录。 表2 实验参数

Tab.2 Experimental parameter

2. 实验与结果分析

2.1 试样处理后的截面组织变化

如图1（b）所示，该图片为脉冲电子束处理电压为11kV，电流为160A，经脉冲电子束轰击次数为10次的试样，最上部分为经过轰击的表面可称为处理层，中间部分为受到脉冲电子束处理影响的热影响层，最下层部分受到影响最小的原始层，其组织与原始样相比没有发生太大的变化，而热影响层的组织有部分发生了变化，处理层的组织经脉冲电子束轰击后发生了很大的变化，表层大颗粒的碳化物发生部分或全部液相溶解，未熔碳化物颗粒弥散分布，均匀细小，并且组织偏析减少，表层组织均匀化。

2.2 表面形貌分析

2.2.1 实验参数对表面形貌的影响

如图2所示，电流160A，电压13kv，从a到c随着脉冲的轰击次数的增加，试样的表面也变得细密光滑。

2.3 脉冲电子束对材料粗糙度的影响

2.3.1 不同电流对粗糙度的影响

图3 粗糙度数值曲线

Fig.3 Roughness numerical curve

选取相同电压，相同脉冲轰击次数，不同电流的四个试验。将电压同为13KV，脉冲轰击次数为10次，电流分别为120A，140A，160A，180A的四个试样进行粗糙度分析。用RM-20袖珍式粗糙度仪对四个试件进行测试，电流120A时的粗糙度测得为0.8，电流为140A时的粗糙度测得为1.8，电流为160A时的粗糙度测得为4.1，电流为180A时的粗糙度测得为3.3（如图3所示）。

2.3.2 不同电压对粗糙度的影响

图4 粗糙度数值曲线

Fig.4 Roughness numerical curve

选取相同电流，相同脉冲轰击次数，不同电压的四个试验。将电流同为160A，脉冲轰击次数为10次，电流分别为11kV，12kV，13kV，14kV的四个试样进行粗糙度分析。用RM-20袖珍式粗糙度仪对四个试件进行测试，电压11KV时的粗糙度测得为3.0，电压12kV时的粗糙度测得为3.2，电压13KV时的粗糙度测得为4.1，电流为14kV时的粗糙度测得为2.4（如图4所示）。

2.3.3 不同脉冲轰击次数对粗糙度的影响

图5 粗糙度曲线

Fig.5 Roughness curve

取相同电流，相同电压，不同脉冲轰击次数的三个试验。将电流同为160A，电压为13KV，脉冲轰击次数分别为5，10，15次的三个试样进行粗糙度分析。用RM-20袖珍式粗糙度仪对三个试件进行测试，脉冲轰击次数为5次时的粗糙度测得为2.1，脉冲轰击次数为10次时的粗糙度测得为4.1，脉冲轰击次数为15次时的粗糙度测得为2.7（如图5所示）。

2.4 脉冲电子束对对材料显微硬度的影响

为了研究脉冲电子束对7075合金材料的显微硬度的影响，取13kV 160A脉冲次数分别为5次，10次，15次的三个试样，对脉冲次数不同的三个试样进行硬度测试，数值分别是165、192、238。

图6 硬度曲线

Fig.6 Hardness curve

根据以上这个图形，我们可以得出，经过不同次数的脉冲电子束轰击次数后其显微硬度发生了变化，随着次数增多，显微硬度在一定范围内都得到了不同程度的提高。

3.结 论

3.1 强流脉冲电子束改变了铝合金材料的表面形貌组织，并且在电子束轰击中心区域的表面形貌改变最大，出现了熔坑，经轰击后表面组织偏析减少使基体均匀化。

3.2 强流脉冲电子束对材料的显微硬度有很大的影响，在离处理中心区近百微米范围内的显微硬度都得到了不同程度的提高，且离中心区域越近的地方硬度提高的效果更好。并且随着脉冲次数的增多，硬度值能够提高的程度更大。

3.3 铝合金材料经过强流脉冲电子束处理，表面粗糙度降低，随着脉冲电子束电流增大，材料粗糙度由小变大。而随着脉冲电子束轰击次数的增多，材料粗糙度由小逐渐变大再逐渐变小。而脉冲电子束电压增大，材料粗糙度逐渐变小。

参考文献

[1] 徐增华.金属腐蚀材料[J].腐蚀与防护，2001.（12）：549-551

[2] 周鼎华.铝合金表面处理技术新进展[J]，热处理技术与装备，2006.27（4） ：10-15

[3] 吴敏，孙勇.铝及其合金表面处理的研究现状[J].表面技术，2003.32（3） ：13-151

[4] 邹建新.强流脉冲电子束表面改性过程数值模拟[D].大连理工大学硕士学位论文.2003.

[5] 郝胜智.纯Al材强流脉冲电子束表面改性的研究[D].大连理工大学博士学位论文.2000.