强流脉冲电子束是近几十年发展起来的新兴表面改性技术，处理过程中，材料表面经历快速加热和冷却过程（108～109K/s），形成远离平衡态的非平衡凝固组织，包括非晶、纳米晶、过饱和固溶体等，并对材料性能产生明显影响。《强流脉冲电子束表面处理诱发的非平衡凝固过程研究》在总结电子束相关研究成果基础上，结合作者课题组十多年的研究，对强流脉冲电子束处理镁铝及其合金产生的非平衡凝固组织进行了详细分析，并结合性能检测分析了相关改性机理。

1 强流脉冲电子束表面改性研究进展
强流脉冲电子束（high current pulsed electron beam，HCPEB）加工是一种特种加工方法，起源于德国，从20世纪70年代开始应用于材料的表面改性[1-6]。其特点主要是利用高能电子束的热源作用使材料表面温度迅速升高，使得表层成分、组织结构发生变化，进而提高材料表面硬度，增加耐磨性，提高疲劳强度，改善耐腐蚀性能，消除表面缺陷，达到改善表面质量，延长处理件服役寿命的目的。近年来，由于其特有的表面淬火、表面合金化、表面非晶态、表面熔凝处理等作用，在表面改性方向受到了越来越广泛的关注。
强流脉冲电子束进行表面处理的金属及合金体系主要包括铝及铝合金体系、镁及镁合金体系、钛及钛合金体系、铜及铜合金体系、铬及铬合金体系。本章介绍了国内外学者近年来对强流脉冲电子束处理这些合金体系的研究成果，研究者主要关注于强流脉冲电子束处理技术在合金表面形成的孪晶、位错、纳米晶、固溶体、钝化膜等组织，以及这些组织所带来的显微硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能的提高。
本书在前期大量研究的基础上，总结了作者及课题组近二十年在强流脉冲电子束处理镁、铝及其合金的研究结果，从非平衡凝固角度分析了强流脉冲电子束处理镁、铝及其合金诱发的非晶、纳米晶、过饱和固溶体等亚稳组织，并对其对性能的影响机理进行了详细分析，提出了相关改性机理。下面首先简单介绍强流脉冲电子束近几十年的研究进展。
1.1 铝及铝合金体系
铝具有质量轻、延展性好、耐腐蚀性能优良、铸造性能优良和焊接性能优异等诸多优点，但是纯铝无法满足工业应用的要求，由此人们在铝基体中添加各种元素形成铝合金以满足需求。随着铝及铝合金的应用越来越广泛，对其进行材料表面改性以提高其性能变得越来越迫切。
Follstaedt等[7]*早利用脉冲电子束对纯铝的表面进行辐射，发现会有大量的空位缺陷在纯铝的表面产生，他们认为这归因于电子束处理导致的铝表面的快速熔化与凝固。
俄罗斯的 Proskurovsky等[8]对涂覆多层 Al-Si涂层的铝基表面进行脉冲电子束处理，他们发现合金元素发生了相互渗透，且还发生了纳米化及晶化现象。
俄罗斯的 Rotshtein等[9]对涂覆 Al涂层的 Ti基体进行了电子束处理，发现有大量的金属间化合物在合金的表面生成。
法国的 Grosdidier等[10]则选择对 FeAl合金表面进行了 HCPEB处理，发现有大量的空位及位错在合金表面形成，同时发现合金表面的晶粒发生了明显的细化，合金硬度有了显著提高。
Dong等[11]对纯铝的表面进行了 HCPEB渗碳处理，发现由于热应力场产生的应力波作用，有大量的碳渗在合金的深层组织。
关庆丰等[12]则研究了多晶纯铝的空位缺陷形成机理，并根据实验数据提出了相关机理。
王瑾等[13]对纯铝进行了不同次数的 HCPEB处理，发现由于 HCPEB的抛光效果，纯铝的表面熔坑密度会随着脉冲处理次数的增加而明显减小。
郝仪[14]又对过共晶铝硅合金进行了 HCPEB处理，对亚稳态结构分析表明合金表层形成孪晶、位错、纳米晶等组织，这导致合金的硬度及耐磨性得到有效提高。
胡亮[15]采用了（电子束 +稀土 Nd）复合表面改性方式对过共晶铝硅合金进行处理。该方法有效地消除了微裂纹，同时稀土 Nd的添加也起到了细化初生硅的作用。
本课题组[16]则研究了在 HCPEB处理中冲击波诱发纳米结晶过程，以及其对 Al-15Si合金力学性能的影响。结果表明，经强流脉冲电子束处理的 Al-15Si合金的拉伸强度会有明显提高。
然而近年来 Yan等[17]用强流脉冲电子束对 2024铝合金进行了处理，发现由于合金表面组织发生的二次结晶过程，合金的表面及合金截面均出现晶粒变大的现象，这打破了人们对于强流脉冲电子束能够细化晶粒的固有印象，是本课题组的研究**之一。
1.2 镁及镁合金体系
镁合金是金属中*轻的金属，使用镁合金制成的零件能够有效降低零件的重量。此外，镁合金还具备吸震性能好、电磁屏蔽性高、铸造性能好、切削加工性能优异、低温性能良好等特点，这使得镁合金成为多领域应用的重要材料之一。因此对镁及镁合金进行表面处理以获得更优异的性能具有重要意义。
自2000年，国内学者就开始了有关 HCPEB处理纯镁及镁合金的研究。高波 [18]利用 HCPEB分别处理了纯镁，镁合金 AZ31及镁合金 AZ91HP。实验结果表明，处理后的纯镁发生塑性变形，表面形成了纳米氧化薄膜，耐腐蚀性能得到提高。镁合金表面则形成 MgO 层及铝的过饱和固溶体，与此同时合金的显微硬度、相对耐磨性、耐腐蚀性均有不同程度的提高。
本课题组[19]对 Mg67Zn30Y3进行了研究，实验结果表明在经 HCPEB处理的合金中形成过饱和固溶体，而准晶 Mg3Zn6Y以纳米晶体形式存在，合金的耐磨性因固溶强化及细晶强化得到显著提高。
赵铁钧[20]对 ZK60镁合金进行了复合改性处理（微弧氧化 +电子束处理），实验结果表明合金表面出现致密的陶瓷表面层，合金的耐腐蚀性与耐磨性由此得以提升。
Zhang等[21]将纳米镍粉涂覆于纯镁表面，而后利用 HCPEB进行合金化处理，实验结果表明该操作引起的表面变形取向结构有益于合金化效果。
Li等[22]利用 HCPEB处理了铸造 AZ91镁合金，实验得到了纳米晶 Mg3.1Al0.9纳米结构，该结构的存在有效提升了合金的耐腐蚀性。
Hao等[23]利用 HCPEB技术在 AZ91镁合金上制备了纳米晶及富铝表面微观结构，实验结果表明由于均匀表面改性层的形成，AZ91镁合金经 15次 HCPEB处理后获得了**的耐腐蚀性能。
Liu等[24]研究了 HCPEB处理对 Mg-4Sm合金表面组织和耐蚀性的影响，结果表明在 HCPEB处理的表面中形成 Mg41Sm5纳米沉淀物，同时合金的耐腐蚀性因均匀的表面微观结构而得以改善。
Zhang等[25]研究了经 HCPEB处理的 Mg-8Gd-3Y-0.5Zr合金的表面微观组织结构及性能，实验结果表明由于合金表面的残余压缩应力及纳米结构的形成，合金的显微硬度得到改善。同时合金中Gd/Y含量和残余压缩应力的增加提高了耐腐蚀性。
Lee等[26]对镁合金AZ31B的研究，他们利用大脉冲电子束辐照选择性蒸发 Mg，由于杂质去除、 Al富集、晶粒细化的综合效应，镁合金 AZ31B的耐蚀性得到提高。
综上所述，HCPEB在镁及镁合金体系的应用主要在于提升合金的显微硬度以及耐腐蚀性能，耐腐蚀性能的提升会大大提高镁合金的使用寿命及应用范围，因此 HCPEB技术对于镁及镁合金体系的工业化应用具有重要意义。
1.3 钛及钛合金体系
作为一种比强度高、密度较小、具有良好的耐腐蚀性能的金属，钛及钛合金在航空航天、**、汽车等领域有着广泛的应用。然而其摩擦系数高、耐磨性较差、抗高温氧化能力较差、在高温高速情况下摩擦易燃等缺点大大限制了其应用范围，因此对钛及钛合金体系进行表面处理以获得良好的性能具有重要意义。
我国对钛进行 HCPEB研究始于 2009年，况军等 [27]**对纯钛进行了 HCPEB处理，实验结果表明其表面显微硬度随脉冲次数增加而增大，脉冲处理后样品的耐腐蚀性能明显提高。
张向东等[28]利用 HCPEB处理纯钛样品，发现其表层有大量晶体缺陷并生成纳米晶层，纯钛材料的力学和耐蚀性能得到显著改善。李艳等[29]的研究表明表面晶粒细化、马氏体相变强化、材料缺陷密度增加是纯钛显微硬度提高的主要原因。
本课题组 [30]的研究表明样品表面的残余应力及元素蒸发等因素使得钛的硬度下降，脉冲处理后样品表面元素均匀分布及 HCPEB的净化除杂作用使得金属的耐腐蚀性能提高。
Zhang等[31]利用脉冲电子束对 α钛合金进行了组织与性能改性，实验结果表明处理样品的熔融层和固态转变层中含有 α'马氏体，同时在熔融层的顶部表面发生 Al的选择性蒸发， α钛合金表面硬度和腐蚀性能得到改善。
Guo等[32]研究了 HCPEB对 Ti6Al4V耐磨耐腐蚀性能的影响，实验结果表明经 HCPEB辐照的 Ti6Al4V表面层的微观结构由α+β二元相转变为单一α相，导致耐腐蚀性明显提高。
Jiang等[33]对经 HCPEB处理的 TiN涂层的表面形貌及力学性能进行了研究，实验结果表明 HCPEB辐照熔化了TiN涂层，表面粗糙度因表面缺陷的形成而增加，处理过的 TiN涂层的界面黏附性明显增加。
国外学者近年来对HCPEB处理钛合金的研究也较为广泛。 Meisner等[34]对经 HCPEB处理过的TiNi合金的梯度组织及残余应力分布进行了分析。实验结果表明合金表面层经 HCPEB处理后形成四种相位组成不同的子层，并且在垂直于样品平面的方向上形成了压缩型应力，沿着样品平面方向形成了拉伸型应力。
Valkov等[35]则利用电子束技术成功制备出了 Ti-Al-Nb涂层。Meisner等[36]研究了 HCPEB表面改性对 TiNi记忆合金性能的影响。实验结果表明在低能量强电流脉冲电子束处理下合金的延性和极限强度得以增加。
综上所述，HCPEB能够有效改善钛及钛合金的耐腐蚀性、耐摩擦性、显微硬度等性能，这对于延长钛合金的使用寿命及扩大其应用范围有着重要意义。
1.4 铜及铜合金体系
铜及铜合金是近代工业中应用较为广泛、用量较大的金属之一，这主要归功于其优异的导电及导热性能、良好的塑性及加工性能、较好的耐腐蚀性及抗磁性能。但纯铜的强度较低，***能力和耐磨性较差，在一定程度上影响了铜的应用范围。同时，随着工业的不断发展，对传统的铜合金的性能要求也越来越高，如要求高强度、高导电性、高的耐热和耐磨性能。因此，解决铜材料目前存在的这些矛盾和问题是当前研究的一个**和热点。
郝胜智等[37]*早对 HCPEB辐照冷轧纯铜形成的表面纳米晶层进行了研究，

目录 《博士后文库》序言前言 1 强流脉冲电子束表面改性研究进展 1 1.1 铝及铝合金体系 2 1.2 镁及镁合金体系 3 1.3 钛及钛合金体系 5 1.4 铜及铜合金体系 6 1.5 铬及铬合金体系 8 参考文献 9 2 强流脉冲电子束技术及其工艺 13 2.1 电子束与材料表面相互作用机理 13 2.1.1 电子束与固体的相互作用 13 2.1.2 电子束能量在作用区的分配（能量转换）14 2.2 实验装置的结构 19 2.2.1 强流脉冲电子束装置 20 2.2.2 本装置的特点 22 2.3 实验装置的工作参数 24 2.4 工艺参数及实验测试 26 2.4.1 工艺参数 26 2.4.2 实验测试 26 参考文献 28 3 强流脉冲电子束处理纯镁诱发的非平衡凝固研究 31 3.1 引言 31 3.1.1 镁的性质 31 3.1.2 镁的晶体结构 33 3.2 实验方法 33 3.2.1 实验参数的选择 33 3.2.2 实验测试设备及试样处理 33 3.3 纯镁原始表面形貌 34 3.4 纯镁强流脉冲电子束处理后表面形貌变化 34 3.4.1 脉冲次数对形貌的影响 34 3.4.2 强流脉冲电子束处理后纯镁表面形成的熔坑 36 3.5 纯镁强流脉冲电子束表面处理温度场模拟 37 3.5.1 温度场的物理模型 37 3.5.2 计算结果 40 3.6 纯镁强流脉冲电子束处理前后的微观组织及性能测试 47 3.6.1 纯镁表面处理后塑性变形 47 3.6.2 纯镁表面强流脉冲电子束处理前后TEM分析 48 3.6.3 纯镁强流脉冲电子束处理前后截面显微硬度分析 52 3.6.4 纯镁XRD分析 53 3.6.5 纯镁强流脉冲电子束处理前后抗腐蚀性能的研究 54 3.7 纯镁强流脉冲电子束表面改性结构模型 56 参考文献 57 4 强流脉冲电子束处理镁合金AZ31诱发的非平衡凝固研究 61 4.1 引言 61 4.2 实验参数 62 4.3 能量密度、脉冲次数对表面形貌的影响 64 4.4 镁合金AZ31强流脉冲电子束处理后截面微观组织 65 4.5 镁合金AZ31强流脉冲处理前后XRD分析 66 4.6 镁合金AZ31强流脉冲电子束处理前后截面显微硬度分布 68 4.7 镁合金AZ31强流脉冲电子束表面处理对耐磨性的影响 69 4.7.1 强流脉冲电子束对摩擦系数的影响 69 4.7.2 强流脉冲电子束磨损量的变化 70 4.8 镁合金AZ31强流脉冲电子束表面处理对耐腐蚀性能的影响 71 4.8.1 镁合金AZ31强流脉冲电子束表面处理前后表面成分分析 72 4.8.2 镁合金AZ31强流脉冲电子束表面处理后截面成分分析 73 4.8.3 镁合金AZ31强流脉冲电子束表面处理前后电化学测试 74 参考文献 76 5 强流脉冲电子束处理镁合金AZ91HP诱发的非平衡凝固研究 78 5.1 引言 78 5.2 镁合金AZ91HP的原始显微组织 78 5.3 镁合金AZ91HP强流脉冲电子束处理后表面形貌分析 80 5.4 镁合金AZ91HP强流脉冲电子束处理后表面成分分析 81 5.5 镁合金AZ91HP强流脉冲电子束处理后截面微观组织分析 82 5.6 镁合金AZ91HP强流脉冲电子束处理前后XRD分析 83 5.7 镁合金AZ91HP强流脉冲电子束处理前后电化学性能测量 84 5.8 镁合金AZ91HP强流脉冲电子束表面处理对耐磨性的影响 87 5.9 镁合金AZ91HP强流脉冲电子束表面处理前后TEM分析 90 5.9.1 原始样品TEM分析 90 5.9.2 处理样品TEM分析 90 参考文献 92 6 强流脉冲电子束作用下过共晶铝硅合金表面形貌及微观组织分析 93 6.1 引言 93 6.2 原始组织形貌 94 6.3 强流脉冲电子束处理后初生硅特征形貌 95 6.3.1 典型“晕圈”结构 95 6.3.2 “晕圈”结构成分分析 99 6.3.3 “晕圈”结构形成机理 102 6.4 改性表面铝基体形貌 103 6.4.1 纯Al颗粒形貌与分布 103 6.4.2 (Al)枝晶细化 106 6.5 合金表面XRD分析 108 6.5.1 衍射峰的宽化及偏移 108 6.5.2 择优取向 112 6.6 HCPEB处理后合金截面组织研究 113 6.6.1 重熔层形貌特征 113 6.6.2 重熔层元素分布 117 参考文献 119 7 强流脉冲电子束处理过共晶铝硅合金诱发合金表层亚稳态结构的形成 121 7.1 引言 121 7.2 原始组织TEM显微观察 122 7.3 纳米硅 123 7.3.1 合金表层游离存在的纳米硅晶粒 123 7.3.2 合金表层析出的细小纳米硅晶粒 125 7.4 过饱和固溶体 128 7.4.1 铝硅置换固溶体 129 7.4.2 过饱和固溶体形成及固溶度计算 130 7.4.3 硅在铝中的过饱和固溶行为 134 7.5 非晶态固体 134 7.5.1 非晶氧化铝 135 7.5.2 非晶硅 137 7.6 铝基体位错结构 142 参考文献 146 8 强流脉冲电子束处理对过共晶铝硅合金表面性能的影响 148 8.1 引言 148 8.2 合金表面及截面硬度分析 149 8.2.1 维氏硬度测试原理及单位换算 149 8.2.2 合金表面显微硬度分析 150 8.2.3 合金截面显微硬度分析 158 8.3 合金表面摩擦磨损性能分析 161 8.3.1 磨损量变化 161 8.3.2 摩擦系数分析 165 参考文献 166 9 强流脉冲电子束对Al-20Si-5Mg截面改性的研究 168 9.1 引言 168 9.2 电子束改性后铝硅镁合金重熔层形貌特征 168 9.3 截面热影响区SEM形貌分析 170 9.4 电子束处理前后Al-20Si-5Mg合金EBSD分析 172 9.4.1 电子束处理前Al-20Si-5Mg合金EBSD分析 172 9.4.2 电子束处理后Al-20Si-5Mg合金截面EBSD分析 173 9.5 截面纳米硬度分析 174 参考文献 176 10 强流脉冲电子束对Al-20Si-5Mg-0.7Ce合金表面改性的研究 178 10.1 引言 178 10.2 电子束处理前Al-20Si-5Mg-0.7Ce合金表面微观组织 178 10.2.1 电子束处理前Al-20Si-5Mg-0.7Ce合金表面形貌 178 10.2.2 电子束处理前Al-20Si-5Mg-0.7Ce合金表面元素分布 180 10.3 电子束处理后Al-20Si-5Mg-0.7Ce合金表面组织形貌 181 10.3.1 电子束处理后Al-20Si-5Mg-0.7Ce合金表面形貌 181 10.3.2 电子束处理后Al-20Si-5Mg-0.7Ce合金表面纳米结构的形成 182 10.4 电子束处理前后Al-20Si-5Mg-0.7Ce合金表面XRD分析 183 10.5 电子束处理前后Al-20Si-5Mg-0.7Ce合金表面元素分布 184 10.6 电子束处理前后Al-20Si-5Mg-0.7Ce合金表面显微硬度 186 10.7 电子束处理前后Al-20Si-5Mg-0.7Ce合金表面耐磨性 187 10.8 电子束处理前后Al-20Si-5Mg-0.7Ce合金表面耐腐蚀性 189 参考文献 191 11 ZK60镁合金强流脉冲电子束表面改性 193 11.1 引言 193 11.2 结果分析 194 11.2.1 原始组织分析 194 11.2.2 改性后表面形貌分析 196 11.2.3 改性后截面微观组织 203 11.2.4 XRD物相分析 204 11.2.5 耐腐蚀性能分析 206 11.2.6 耐摩擦性能分析 212 参考文献 214 12 ZK60镁合金强流脉冲电子束与微弧氧化复合表面改性 216 12.1 引言 216 12.2 结果分析 218 12.2.1 微弧氧化处理���形貌分析 218 12.2.2 经微弧氧化处理后再经强流脉冲电子束处理的形貌及微观组织分析 220 12.2.3 经强流脉冲电子束处理后再经微弧氧化处理的形貌及微观组织分析 223 12.2.4 微弧氧化和复合处理后XRD分析 226 12.2.5 微弧氧化和复合处理后抗腐蚀性能分析 230 12.2.6 微弧氧化和复合处理后耐摩擦性能分析 231 参考文献 234 编后记 235