强流脉冲电子束(HCPEB)是一种新型的材料表面改性高密度能量束,可使材料表面获得优异的性能,并日益受到科研工作者的广泛关注。强流脉冲电子束作用到材料表面后,高密度的能量流(108~109 W/cm2)会在瞬时(几纳秒到几微秒)注入到材料的表层,使表层材料出现熔化、蒸发以及快速凝固等效应,从而引起材料表面的变形,产生特殊的改性效果,例如提高材料表面硬度、耐热腐蚀和耐氧化等性能。本文选取DD3镍基单晶高温合金,应用强流脉冲电子束对其表面进行轰击处理(轰击次数分别为1次,5次,10次和20次),进行表面改性效果研究。改性处理后试样的横截面显微硬度测试结果表明,经过轰击以后的高温合金近表层几百微米范围内出现显微硬度值升高的现象,硬度曲线呈现出特别的分布规律:表面的硬度值比基体的高(经过1次轰击的除外),硬度值在距表面50μm左右处达到最小值(远小于基体),在距离表面100μm处,硬度再次出现一个峰值,而当达到约350μm处时接近基体的硬度。经强流脉冲电子束5次轰击后,合金表层显微硬度值最高。对经过强流脉冲电子束轰击后的DD3表面进行耐热腐蚀和耐高温氧化的性能测试,结果表明轰击提高了合金的耐热腐蚀和耐高温氧化性能,并随着轰击次数的增加其耐热腐蚀和耐高温氧化性能都相应增强。为了解强流脉冲电子束轰击DD3合金后表面熔坑的形成特点,本研究对合金表层温度场进行了模拟,结果表明合金初始熔化位置在表面下方0.4μm处,熔化开始时间为0.2μs,热影响区可达30μm左右。由于强流脉冲电子束的作用时间极短,可以把经过轰击后材料的瞬态保留下来,因而可以通过显微观察得到材料表面经轰击后的微观结构及缺陷在不同阶段的形态。本研究利用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、X-ray衍射仪、电子背散射衍射(EBSD)仪、正电子湮没等技术分析研究了DD3镍基单晶高温合金经强流脉冲电子束改性后表层显微组织结构的变化。通过测试发现:DD3镍基单晶高温合金经电子束轰击处理后试样表面出现了不同形貌的熔孔,最多的为火山坑(craters)形貌,部分试样表面还出现波状起伏和熔滴结构。DD3合金表面经强流脉冲电子束轰击以后,表面成分偏析明显减少,表层组织更加均匀。经强流脉冲电子束轰击以后,表层熔体由于冷基体的导热而急速冷却,可以得到亚微晶和纳米晶等非平衡态组织,且聚集了大量的空位和高密度的位错。本文通过微观表征阐释了经强流脉冲电子束轰击后DD3镍基单晶高温合金表面性能提高的原因:由于白层组织的产生,以及合金表层出现的织构、大量的孪晶界、亚晶界和超细晶粒,提高了合金的抗腐蚀和抗氧化能力;大量位错的产生和γ′相的规则化提高了表面改性层的硬度。