强脉冲离子束辐照对65号碳钢表面形貌及相组成的调控机制研究

本文系统研究了强脉冲离子束(IPIB)在250 kV加速电压、0.6-1.6 J/cm2能量密度下单次100 ns脉冲辐照对65号碳钢表面形貌、相组成及弹塑性的影响。研究发现IPIB处理使表面粗糙度(Ra)降低2-3倍，形成直径4-6 μm的弹坑（crater），并通过掠入射X射线衍射(GID)揭示了近表层晶粒取向与相组成变化。该研究为机械工程部件表面强化提供了新思路。

　　

Highlight

研究发现：采用氢(30%)碳(70%)混合离子束在250 kV加速电压、0.6和1.6 J/cm²能量密度下对65号碳钢进行单次100 ns脉冲辐照，通过原子力显微镜(AFM)和扫描电镜(SEM)观察到表面形貌发生显著变化——就像被"离子熨斗"烫平一样，平均粗糙度降低2-3倍，同时产生大量弹坑（crater）。有趣的是，随着能量密度增加，这些"微陨石坑"的平均直径从4 μm增大到6 μm，表面密度更是从2×10⁸暴增至8×10⁸ m^-2。

Materials and samples

实验选用含碳量0.65 wt.%的亚共析碳钢65，样品经830°C水淬处理后机械抛光至镜面。就像给钢铁做"离子SPA"前，必须确保表面光洁度达标。

Study of surface morphology and topography

AFM和SEM图像显示（见图1-5），处理后的样品表面就像经历了"离子风暴"——原有磨痕消失，取而代之的是均匀分布的弹坑。这些"纳米级火山口"的形成，源于离子束引发的局部爆炸式蒸发。通过激光共聚焦显微镜测量，我们捕捉到表面轮廓从"崇山峻岭"变为"丘陵地带"的戏剧性变化。

Conclusion

研究证实：IPIB处理使65号碳钢表面发生"离子美容"效应——既实现粗糙度2-3倍的改善，又形成特征性弹坑结构。X射线衍射(GID和Bragg-Brentano几何)显示，在离子投射范围内晶粒取向改变，而在更深处发生"相变魔术"：新相出现且体积分数随能量密度增加而升高。纳米压痕测试表明近表层硬度提升，摩擦系数降低1.5倍，这就像给钢铁穿上了"离子铠甲"。这些变化源于瞬态熔凝过程导致的元素重排、缺陷累积和相变协同作用。