利用高能量密度的電子束對材料進(jìn)行工藝處理的一切方法統(tǒng)稱為電子束加工。包括電子束焊接、打孔、表面處理、熔煉、鍍膜、物理氣相沉積、雕刻、銑切、切割以及電子束曝光等。其中以電子束焊接、打孔、物理氣相沉積,以及電子束表面處理等在工業(yè)上的應(yīng)用最為廣泛。隨著該項技術(shù)的不斷發(fā)展,它已用于大批量生產(chǎn)、大型零件制造以及復(fù)雜零件的加工,尤其是在表面工程應(yīng)用等方面都顯示出其獨特的優(yōu)越性。
電子束加工的原理電子束加工作為一種特種加工方法,其機(jī)理是利用電子束的能量對材料進(jìn)行加工,是一種完全不同于傳統(tǒng)機(jī)械加工的新工藝。
電子束加工工藝按其對材料的作用原理,可以分為兩大類。
1、電子束熱效應(yīng)
電子束熱效應(yīng)是將電子束的動能在材料表面轉(zhuǎn)化成熱能以實現(xiàn)對材料的加工,其中包括:
①電子束精微加工,可完成打孔、切縫和刻槽等工藝,這種設(shè)備一般都采用微機(jī)控制,并且常為一機(jī)多用;
②電子束焊接與其他電子束加工設(shè)備不同之處在于,除高真空電子束焊機(jī)之外,還有低真空、非真空和局部真空等類型;
③電子束鍍膜,可蒸鍍金屬膜和介質(zhì)膜;
④電子束熔煉,包括難熔金屬的精煉,合金材料的制造以及超純單晶體的拉制等;
⑤電子束熱處理,包括金屬材料的局部熱處理以及對離子注人后半導(dǎo)體材料的退火等。上述各種電子束加工總稱為高能量密度電子束加工。
高能量密度電子束由電子槍產(chǎn)生,電子槍的陰極發(fā)射出電子,并匯聚成電子束,在電子槍的加速電場(通常由15-175kV的直流高壓形成)作用下,電子的速度被提高到接近或達(dá)到光速的一半,因而具有很高的動能。電子束再經(jīng)電磁透鏡的聚束作用,匯聚成為更細(xì)的束流。
束斑直徑為數(shù)微米至1mm,而在某些應(yīng)用場合,束斑直徑可小至幾十個納米,因此,其能量非常集中。電子束的功率密度(即單位時間內(nèi)輸人單位面積材料中的能量)可高達(dá)107W/mm2。
當(dāng)電子束轟擊材料時,其能量大部分轉(zhuǎn)化成熱能,使材料局部區(qū)域溫度急劇上升并且熔化,甚至氣化而被去除,從而實現(xiàn)對材料的加工或表面處理。
2、電子束化學(xué)效應(yīng)
電子束化學(xué)效應(yīng)是利用電子束代替常規(guī)的紫外線照射抗蝕劑以實現(xiàn)曝光,其中包括:
①掃描電子束曝光,用電子束按所需的圖形,以微機(jī)控制進(jìn)行掃描曝光。其特點是圖形變換的靈活性好,分辨率高;
②投影電子束曝光,這是一種大面積曝光法,由光電陰極產(chǎn)生大面積平行束進(jìn)行曝光,其特點是效率高,但分辨率較差;
③軟X射線曝光,軟X射線由電子束產(chǎn)生,是1種間接利用電子束的投影曝光法。
電子束曝光利用電子束對電致抗蝕劑產(chǎn)生化學(xué)作用,因此,電子束的能量應(yīng)能使材料曝光而又不產(chǎn)生熔化或熱變形,否則,會影響曝光精度,甚至導(dǎo)致工件報廢。
電子束加工的特點電子束加工具有如下特點:
1、由于電子束能夠極其微細(xì)地聚焦,是1種精密微細(xì)加工方法。
2、電子束能量密度很高,足以使被轟擊的任何材料迅速熔化或氣化,易于對鎢、鑰或其他難熔金屬及其合金進(jìn)行加工。用電子束可以對某些熔點較高、導(dǎo)熱較差的非金屬材料,如石英和陶瓷進(jìn)行打孔或焊接。
3、電子束能量密度高,因而加工生產(chǎn)率很高。
4、電子束加工速度快,加工點向基體散失的熱量少,工件熱變形小;電子束本身不產(chǎn)生機(jī)械力,無機(jī)械變形問題。這些優(yōu)異性能,對于打孔、焊接和零件的局部熱處理來說,尤為重要。
5、電子束能量和能量密度的調(diào)節(jié)很容易通過調(diào)節(jié)加速電壓、電子束流和電子束的匯聚狀態(tài)來完成,整個過程易于實現(xiàn)自動化。
6、電子束加工是在真空條件下進(jìn)行的,既不產(chǎn)生粉塵,也不排放有害氣體和廢液,對環(huán)境幾乎不造成污染,加工表面不產(chǎn)生氧化,特別適合于加工易氧化的金屬及合金材料,以及純度要求極高的半導(dǎo)體材料。
7、電子束可將90%以上的電能轉(zhuǎn)換成熱能。此外,電子束的能量集中,損失較小。
8、電子轟擊材料時會產(chǎn)生X射線,并且電子束加工需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng),價格昂貴,因此,在生產(chǎn)和應(yīng)用上有一定的局限性。
1、電子束焊接
電子束焊接具有焊縫深寬比大,焊接速度快,工件熱變形小,焊縫物理性能好,工藝適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點,并且能改善接頭機(jī)械性能、減少缺陷、保證焊接穩(wěn)定性和重復(fù)性,因而具有極為廣闊的應(yīng)用前景。
電子束焊接的加工范圍極為廣泛,尤其在焊接大型鋁合金零件中,電子束焊接工藝具有極大的優(yōu)勢,并且可用于不同金屬之間的連接。
西歐采用電子束代替過去的氫弧焊焊接大型鋁合金筒體,在提高生產(chǎn)效率的同時得到了性能良好的焊接接頭。美國和日本均采用電子束焊接工藝加工發(fā)電廠汽輪機(jī)的定子部件。美國近年來還在大型飛機(jī)制造中廣泛應(yīng)用電子束焊接工藝。
2、電子束物理氣相沉積(EB-PVD)技術(shù)
電子束物理氣相沉積(EB-PVD)是利用高速運動的電子轟擊沉積材料表面,使材料升溫變成蒸氣而凝聚在基體材料表面的1種表面加工工藝。根據(jù)該工藝沉積材料的性質(zhì),可以使涂層具有優(yōu)良的隔熱、耐磨、耐腐蝕和耐沖刷性能,從而對基體材料有一定的保護(hù)作用,因此,被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶和冶金等工業(yè)領(lǐng)域。
由于電子束的產(chǎn)生和傳輸都是在真空室中進(jìn)行(電子槍和工作室處于真空),電子束物理氣相沉積也是在真空中進(jìn)行,因此,可以防止涂層的污染和氧化。具有柱狀結(jié)構(gòu)的涂層在高溫條件下抗剝落的能力較高。
在控制工藝條件的前提下,可以使涂層與蒸發(fā)材料中的相和元素含量保持一致,這是電子束物理氣相沉積的一大優(yōu)點。而且它還可以蒸發(fā)易揮發(fā)的材料,例如鋁。
EB-PVD主要應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)的渦輪葉片熱障涂層,涂層厚度最大可達(dá)300μm,涂層顯微結(jié)構(gòu)明顯有利于抗熱震性,涂層無需后續(xù)加工,空氣動力學(xué)性能明顯優(yōu)于等離子涂層,因此涂層壽命大大高于等離子噴涂涂層壽命。
目前,EB-PVD還可用于結(jié)構(gòu)涂層,例如葉片和反射鏡的冷卻槽等也可采用EB-PVD方法加工,刀具、帶材、醫(yī)用手術(shù)刀、耳機(jī)保護(hù)膜、射線靶子及材料提純均可用EB-PVD方法進(jìn)行表面處理。
3、電子束表面改性技術(shù)
利用電子束的加熱和熔化技術(shù)還可以對材料進(jìn)行表面改性。例如,電子束表面淬火、電子束表面熔凝、電子束表面合金化、電子束表面熔覆和制造表面非晶態(tài)層。經(jīng)表面改性的表層一般具有較高的硬度、強(qiáng)度以及優(yōu)良的耐腐蝕和耐磨性能。
電子束表面改性的特點如下:
①快速加熱淬火可以得到超微細(xì)組織,提高材料的強(qiáng)韌性;
②處理過程在真空中進(jìn)行,減少了氧化等影響,可以獲得純凈的表面強(qiáng)化層;
③能進(jìn)行快速表面合金化,在極短時間內(nèi)取得熱處理幾小時甚至幾十小時的滲層效果;
④電子束的能量利用率較高,可以對材料進(jìn)行局部處理,是一種節(jié)能型的表面強(qiáng)化手段;
⑤表面淬火是自行冷卻,無需冷卻介質(zhì)和設(shè)備;
⑥能對復(fù)雜零件的表面進(jìn)行處理,用途廣泛;
⑦電子束功率參數(shù)可控,因此,可以控制材料表面改性的位置、深度和性能指標(biāo)。
4、電子束打孔
電子束打孔具有如下優(yōu)點:能加工各種孔,包括異形孔、斜孔、錐孔和彎孔;生產(chǎn)效率高;加工材料范圍廣;加工質(zhì)量好,無毛刺和再鑄層等缺陷。
電子束打孔在國外已被廣泛應(yīng)用于航空、核工業(yè)以及電子、化學(xué)等工業(yè)。如噴氣發(fā)動機(jī)的葉片及其他零件的冷卻孔,渦輪發(fā)動機(jī)燃燒室頭部及燃?xì)鉁u輪,化纖噴絲頭和電子電路印刷板等。
2018-07-10 13:42:21 612 http://www.yiqi.com/citiao/detail_942.html 熱門標(biāo)簽: