电子束加工技术的发展

电子束加工技术的发展

高能量密度的电子束加工方法统称为电子束加工。包括电子束焊接、打孔、表面处理、熔炼、镀膜、物理气相沉积、雕刻、铣切、切割以及电子束曝光等。其中以电子束焊接、打孔、物理气相沉积,以及电子束表面处理等在工业上的应用最为广泛。随着该项技术的不断发展,它已用于大批量生产、大型零件制造以及复杂零件的加工,尤其是在表面工程应用等方面都显示出其独特的优越性。电子束加工原理电子束加工作为一种特种加工方法,其机理是利用电子束的能量对材料进行加工,是一种完全不同于传统机械加工的新工艺。电子束加工工艺按其对材料的作用原理,可以分为两大类。1.高能量密度电于束加工的是资金和密封材料电子束热效应是将电子束的动能在材料表面转化成热能以实现对材料的加工,其中包括:1)电子束精微加工,可完成打孔、切缝和刻槽等工艺,这种设备一般都采用微机控制,并且常为一机多用;2)电子束焊接与其他电子束加工设备不同之处在于,除高真空电子束焊机之外,还有低真空、非真空和局部真空等类型;3)电子束镀膜,可蒸镀金属膜和介质膜;4)电子束熔炼,包括难熔金属的精炼,合金材料的制造以及超纯单晶体的拉制等;5)电子束热处理,包括金属材料的局部热处理以及对离子注入后半导体材料的退火等。上述各种电子束加工总称为高能量密度电于束加工。高能量密度电子束由电子枪产生,电子枪的阴极发射出电子,并汇聚成电子束,在电子枪的加速电场(通常由15～175kV的直流高压形成)作用下,电子的速度被提高到接近或达到光速的一半,因而具有很高的动能。电子束再经电磁透镜的聚束作用,汇聚成为更细的束流。束斑直径为数微米至1mm,而在某些应用场合,束斑直径可小至几十个纳米,因此,其能量非常集中。电子束的功率密度(即单位时间内输入单位面积材料中的能量)可高达10W/mm。当电子束轰击材料时,其能量大部分转化成热能,使材料局部区域温度急剧上升并且熔化,甚至气化而被去除,从而实现对材料的加工或表面处理。2.扫描曝光法电子束化学效应是利用电子束代替常规的紫外线照射抗蚀剂以实现曝光,其中包括:1)扫描电子束曝光,用电子束按所需的图形,以微机控制进行扫描曝光。其特点是图形变换的灵活性好,分辨率高;2)投影电子束曝光,这是一种大面积曝光法,由光电阴极产生大面积平行束进行曝光,其特点是效率高,但分辨率较差;3)软X射线曝光,软X射线由电子束产生,是1种间接利用电子束的投影曝光法。电子束曝光利用电子束对电致抗蚀剂产生化学作用,因此,电子束的能量应能使材料曝光而又不产生熔化或热变形,否则,会影响曝光精度,甚至导致工件报废。石英、陶瓷等电子束加工具有如下特点:1.由于电子束能够极其微细地聚焦,是1种精密微细加工方法。2.电子束能量密度很高,足以使被轰击的任何材料迅速熔化或气化,易于对钨、钼或其他难熔金属及其合金进行加工。用电子束可以对某些熔点较高、导热较差的非金属材料,如石英和陶瓷进行打孔或焊接。3.电子束能量密度高,因而加工生产率很高。4.电子束加工速度快,加工点向基体散失的热量少,工件热变形小;电子束本身不产生机械力,无机械变形问题。这些优异性能,对于打孔、焊接和零件的局部热处理来说,尤为重要。5.电子束能量和能量密度的调节很容易通过调节加速电压、电子束流和电子束的汇聚状态来完成,整个过程易于实现自动化。6.电子束加工是在真空条件下进行的,既不产生粉尘,也不排放有害气体和废液,对环境几乎不造成污染,加工表面不产生氧化,特别适合于加工易氧化的金属及合金材料,以及纯度要求极高的半导体材料。7.电子束可将90%以上的电能转换成热能。此外,电子束的能量集中,损失较小。8.电子轰击材料时会产生X射线,并且电子束加工需要一整套专用设备和真空系统,价格昂贵,因此,在生产和应用上有一定的局限性。电子束加工技术应用的类型1.焊接稳定性和重复性电子束焊接具有焊缝深宽比大,焊接速度快,工件热变形小,焊缝物理性能好,工艺适应性强等优点,并且能改善接头机械性能、减少缺陷、保证焊接稳定性和重复性,因而具有极为广阔的应用前景。电子束焊接的加工范围极为广泛,尤其在焊接大型铝合金零件中,电子束焊接工艺具有极大的优势,并且可用于不同金属之间的连接。西欧采用电子束代替过去的氩弧焊焊接大型铝合金筒体,在提高生产效率的同时得到了性能良好的焊接接头。美国和日本均采用电子束焊接工艺加工发电厂汽轮机的定子部件。美国近年来还在大型飞机制造中广泛应用电子束焊接工艺。2.热障涂层的作用电子束物理气相沉积(EB-PVD)是利用高速运动的电子轰击沉积材料表面,使材料升温变成蒸气而凝聚在基体材料表面的1种表面加工工艺。根据该工艺沉积材料的性质,可以使涂层具有优良的隔热、耐磨、耐腐蚀和耐冲刷性能,从而对基体材料有一定的保护作用,因此,被广泛应用于航空、航天、船舶和冶金等工业领域。由于电子束的产生和传输都是在真空室中进行(电子枪和工作室处于真空),电子束物理气相沉积也是在真空中进行,因此,可以防止涂层的污染和氧化。具有柱状结构的涂层在高温条件下抗剥落的能力较高。在控制工艺条件的前提下,可以使涂层与蒸发材料中的相和元素含量保持一致,这是电子束物理气相沉积的一大优点。而且它还可以蒸发易挥发的材料,例如铝。EB-PVD主要应用于飞机发动机的涡轮叶片热障涂层,涂层厚度最大可达300μm,涂层显微结构明显有利于抗热震性,涂层无需后续加工,空气动力学性能明显优于等离子涂层,因此涂层寿命大大高于等离子喷涂涂层寿命。目前,EB-PVD还可用于结构涂层,例如叶片和反射镜的冷却槽等也可采用EB-PVD方法加工,刀具、带材、医用手术刀、耳机保护膜、射线靶子及材料提纯均可用EB-PVD方法进行表面处理。3.硬度、强度以及优良的耐磨性能利用电子束的加热和熔化技术还可以对材料进行表面改性。例如,电子束表面淬火、电子束表面熔凝、电子束表面合金化、电子束表面熔覆和制造表面非晶态层。经表面改性的表层一般具有较高的硬度、强度以及优良的耐腐蚀和耐磨性能。电子束表面改性的特点如下:1)快速加热淬火可以得到超微细组织,提高材料的强韧性;2)处理过程在真空中进行,减少了氧化等影响,可以获得纯净的表面强化层;3)能进行快速表面合金化,在极短时间内取得热处理几小时甚至几十小时的渗层效果;4)电子束的能量利用率较高,可以对材料进行局部处理,是一种节能型的表面强化手段;5)表面淬火是自行冷却,无需冷却介质和设备;6)能对复杂零件的表面进行处理,用途广泛;7)电子束功率参数可控,因此,可以控制材料表面改性的位置、深度和性能指标。4.加工材料电子束打孔具有如下优点:能加工各种孔,包括异形孔、斜孔、锥孔和弯孔;生产效率高;加工材料范围广;加工质量好,无毛刺和再铸层等缺陷。电子束打孔在国外已被广泛应用于航空、核工业以及电子、化学等工业。如喷气发动机的叶片及其他零件的冷却孔,涡轮发动机燃烧室头部及燃气涡轮,化纤喷丝头和电子电路印刷板等。在表面工程中应用电子束加工技术1.物理气铬沉积技术的应用1速率充放电EB-PVD工艺已成功地将氧化物涂层和多层金属/陶瓷涂层以较高的沉积速率应用于涡轮发动机等大型零件。由EB-PVD所制备的涂层可以提高其与基体的结合力,克服了传统喷涂工艺所带来的涂层组织结构不均匀、颗粒未熔化、孔隙与基体结合强度较差等缺陷,从而使零件的使用寿命大幅度提高。2不同温度对材料耐磨性的影响在工模具表面沉积硬的耐磨涂层(如TiN、TiC)可以使工模具的寿命提高4～6倍,这些耐磨涂层由其组成成分和加工工艺决定。由于CVD沉积涂层需要较高的温度,因此,在很大程度上限制了对温度敏感材料的应用。利用离子束辅助EB-PVD技术制备的涂层,其性能可以得到进一步的提高。3腐蚀现象发生时的防腐能力利用EB-PVD技术,得到的沉积涂层几乎是完全致密的,当有腐蚀现象产生时,其防腐能力非常有效。这些涂层甚至可以应用于航天结构中的铝基金属复合材料,除了涂层的组成和结构,EB-PVD所制备涂层的形貌和残余应力也明显地提高了其抗腐蚀性能。4tbcs的作用热障涂层(TBCs),又称隔热涂层,是由绝热性能良好的陶瓷材料构成。热障涂层应用于燃气涡轮发动机,可以显著提高发动机的功率、降低油耗、延长部件的使用寿命。随着发动机推重比的提高,发动机热端部件承受的温度也大幅度提高,由于材料本身承受温度能力所限,因此在应用先进冷却技术的同时,TBCs作为减少冷却气体、延长部件寿命的一种重要手段而备受青睐。同时,TBCs还具有抗腐蚀和抗氧化的作用,与等离子沉积的热障涂层相比,EB-PVD沉积热障涂层的寿命提高了8倍。2.加热面为复合材料的方法电子束表面改性技术是在最近十几年迅速发展起来的表面加工技术,由于电子束加工技术在使用过程中可以较灵活地调节加热面积、加热区域以及材料表面的能量密度,电子束的能量利用率可以高达95%,并且电子束在材料表面的作用范围仅为0.01～0.2mm,因此,利用电子束对材料表层进行加热,可以达到所需温度或使材料熔化,从而实现对材料表面的改性,以满足材料表面的摩擦磨损、耐腐蚀和高温使用性能等要求。电子束表面改性技术分类见图1。1体金属元素类利用电子束对材料表面加热,可使其温度超过奥氏体的转变温度,通过冷态的基体金属进行自淬火,可以获得超细晶粒组织而使表层具有较高的强硬性和耐磨性。由于其基体没有受到加热温度的影响,因此,可以保持其原有的性能,如较好的塑性和韧性。2快速熔融熔池将电子束能量密度提高,从而增加基体表面的能量,使表面层快速熔化以形成细小的熔池,而其他部分受热较小。因此,在冷基体的作用下可以获得较快的冷却速度,这样可以在材料表面形成良好的非晶层,该组织具有很好的耐腐蚀和抗疲劳性能。3表面覆盖层的制备根据需要将具有特殊性能的合金粉末涂覆在金属表面,利用电子束加热熔化进行表面合金化处理,在精确控制电子束功率密度和作用时间的条件下,使一种或多种合金融入金属表面薄层熔区,使其发生物理或化学变化,从而获得所需的表面结构和性能,以满足其耐磨、耐蚀和耐热等要求。利用电子束熔化技术,可以根据需要向基体表面预先涂敷能改善工件表面性能的金属合金甚至陶瓷粉末,然后利用电子束加热将其熔化,在工件表面形成具有某些特殊性能的覆盖层。但是熔化层必须准确控制,以防涂敷层与基体过分熔融而得不到所需要的涂层。4电子束表面熔凝法将所需材料的表面重新