中文摘要：

电子束"毛化"技术是近年来研究较新的一种电子束表面加工技术，在材料的表面技术、连接技术领域有着巨大的应用潜力。由于电子束"毛化"过程是一个复杂的传热、力学、冶金物理化学过程，涉及到材料的熔化、流动以及凝固成形，其成形机理和控制规律的认识程度是影响电子束"毛化"技术推广和应用的重要因素。本项目拟借助于数值模拟技术，建立相关数学模型，从热力学和动力学的角度分析电子束"毛化"过程中金属快速熔化、流动、堆积、凝固以及表面成形的原因，并对"毛化"表面的结构组织及力学行为进行深入的分析研究，从而进一步揭示电子束"毛化"过程中的成形机理和控制规律。同时进一步优化并完善电子束"毛化"技术，初步探索在材料表面技术或连接技术等重要领域的应用研究，以适应不同产品对表面加工质量的要求。该项目的研究对于缩小国内外相关技术差距，提升国内加工技术水平，带动其它领域技术的创新发展，有着重要的研究意义。

结论摘要：

电子束毛化技术是近年来新兴的电子束表面加工技术。它借助磁场对电子束进行复杂的扫描控制，从而在金属表面产生特殊的成型效果。电子束毛化技术可通过调控工艺参数实现毛化表面的定制化生产，在航空航天、生物医学、汽车等先进制造领域有广泛的应用前景。 本项目从电子束毛化技术的模拟分析和工艺实现两方面入手，对电子束毛化技术进行研究。通过文献调研和理论分析，细化了毛化成型的物理模型，建立了较为完善的受力模型，并进一步优化了数值模型，得到合理的数值计算结果。针对钛合金TA15和TC4电子束毛化试样，开展了金属毛化表面的结构组织分析和力学行为研究，完成了显微硬度测试。同时，设计热模拟试验，模拟毛刺组织并测定了毛刺组织的拉伸性能。最后，采用新的电子束扫描控制方法，进行电子束毛化试验，并制备了金属-复合材料毛化连接接头，开展了关于毛化连接接头的初步应用研究。 研究表明，毛化成形过程可分为形成阶段、发展阶段和稳定阶段；每个阶段内任意扫描子周期又可分为堆积期、稳定期和凝固期。在各个扫描时期内，金属蒸气反冲压力和马兰戈尼剪切力共同驱动液态金属向上流动，表面张力驱动液态金属向下流动，三者共同决定了毛刺的高度和宽度。马兰戈尼剪切力比金属蒸气反冲压力对于毛刺生长和形貌有更重要的影响。毛刺高度随扫描频率的增加而先增加后减少，宽度随扫描频率的增加先减少后增加；扫描功率的增加对毛刺生长具有不利的影响。线能量对毛刺生长有重要的影响，在调节工艺参数选择合适线能量时，应优先进行扫描频率的调节。毛刺内部组织可分为边缘区、中心区、热影响区和基体四部分。毛刺内热影响区硬度最高，不同区域的机械性能是组织、元素含量差异和晶粒尺寸综合作用的结果。热模拟试验可获得毛刺中心区的抗拉强度约为1148.71MPa。最后，通过对扫描波形和工艺参数的控制，在金属材料表面实现了不同毛刺形貌，毛化连接接头的性能测试表明，与传统连接方法相比，如胶接、机械连接，其接头力学性能有明显的优势。但不同的毛刺参数（密度、高度）对接头性能的影响并不相同，其中密度较大的毛化连接接头拉伸性能较高。