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强流脉冲电子束钛合金表面改性数值模拟
摘要：
本篇论文主要研究了利用强流脉冲电子束技术对钛合金表面进行改性的数值模拟。通过建立钛合金表面的三维模型，分析了不同能量和不同脉冲数的强流脉冲电子束对钛合金表面的影响。数值模拟结果表明，强流脉冲电子束能够使钛合金表面发生显著的塑性变形和晶体结构改变。本研究对于理解强流脉冲电子束对材料表面的影响具有重要的意义。
关键词：强流脉冲电子束；钛合金；表面改性；数值模拟
Abstract:
Thispapermainlystudiesthenumericalsimulationofsurfacemodificationoftitaniumalloybyhigh-currentpulsedelectronbeamtechnology.Byestablishingathree-dimensionalmodelofthetitaniumalloysurface,theeffectofhigh-currentpulsedelectronbeamwithdifferentenergiesanddifferentpulsenumbersonthetitaniumalloysurfaceisanalyzed.Thenumericalsimulationresultsshowthathigh-currentpulsedelectronbeamcancausesignificantplasticdeformationandcrystalstructurechangesonthesurfaceoftitaniumalloy.Thisstudyisofgreatsignificanceforunderstandingtheeffectofhigh-currentpulsedelectronbeamsonmaterialsurfaces.
Keywords:high-currentpulsedelectronbeam;titaniumalloy;surfacemodification;numericalsimulation
1.引言
钛合金因其具有高比强度、较高的耐磨性、防腐性和生物可兼容性等优点，在航空、医疗等领域得到了广泛的应用。然而，钛合金的加工难度较大，其表面质量和性能往往影响其使用寿命和机械性能。因此，研究改良钛合金表面质量和性能的方法具有重要的意义。
强流脉冲电子束技术是一种新型的材料表面改性技术，其具有热量容易集中和局部加热效应好的优点。强流脉冲电子束技术利用电子流在材料表面沉积时产生的高能量密度使材料表面发生瞬时熔化，从而实现对材料表面的改性。然而，强流脉冲电子束技术对材料表面的影响机理尚不清楚，因此需要进行数值模拟来研究其影响。
本文利用有限元方法建立了钛合金表面的三维模型，通过数值模拟分析了不同能量和不同脉冲数的强流脉冲电子束对钛合金表面的影响。结果表明，强流脉冲电子束能够对钛合金表面产生显著的塑性变形和晶体结构改变。本文研究结果对于理解强流脉冲电子束对材料表面的影响具有重要的意义。
2.材料与方法
2.1材料
本实验所用的材料为常用的TC4钛合金，其化学成分如下表所示：
表1TC4钛合金化学成分
元素TiAlVFeOCNH
重量%896.54.00.150.200.080.030.005
2.2方法
本文利用有限元方法建立了钛合金表面的三维模型，采用ANSYS软件进行模拟。模型尺寸为10mm×10mm×5mm，如图1所示。
图1钛合金表面三维模型
本文分别模拟了3种不同能量（20J，40J，60J）的强流脉冲电子束对钛合金表面的影响，每种能量下分别运用了3种不同脉冲数（5，10，15）的强流脉冲电子束进行模拟。模拟过程使用Johnson-Cook本构模型来描述材料的塑性变形。
3.结果与讨论
3.1强流脉冲电子束对钛合金表面的影响
本文模拟结果表明，强流脉冲电子束能够对钛合金表面产生显著的改变。当强流脉冲电子束照射到钛合金表面时，电子束能量会使钛合金表面的温度瞬间升高，并在表面形成一个高温区域。当电子束停止照射时，钛合金表面立即冷却，由于表面温度快速下降，材料经历了一个快速的热膨胀和迅速的冷却过程。在材料表面物理过程中，由于温度梯度和热应力产生的原因，表面会发生显著的塑性变形和晶体结构改变。
3.2强流脉冲电子束能量和脉冲数对钛合金表面改良的影响
本文模拟结果表明，强流脉冲电子束能量和脉冲数对钛合金表面改良效果有显著的影响。当强流脉冲电子束的能量增大时，其对表面的影响也会随之增强。同时，当脉冲数增加时，表面形变也会增大。如图2所示，随着强流脉冲电子束能量的增加，表面形变也明显增加。
图2强流脉冲电子束能量对表面形变的影响
另外，当强流脉冲电子束的能量和脉冲数均较大时，表面产生的温度梯度较大，会导致