Назад: 3.1. Физико-технические основы электронно-лучевого нагрева

3.2. Технологическое применение электронно-лучевого нагрева

Основные технологические операции электронно-лучевого нагрева можно условно подразделить на четыре группы операций обработки материалов: плавка (плавка в вакууме, локальный переплав); испарение (размерная обработка детали электронным лучом, испарение в вакууме); термообработка (без изменения агрегатного состояния вещества); сварка.

Плавка электронным лучом в вакууме применяется в тех случаях, когда необходимо получить особо чистые металлы. Она имеет преимущества перед плавкой в вакуумных дуговых и индукционных печах, поскольку позволяет производить рафинирование жидкого металла в ванне после прекращения плавления электрода, а также осуществлять другие физико-химические процессы, которые при иных методах плавки не успевают проходить полностью или не протекают вообще. Переплавляемый материал может быть использован практически в любой форме (шихта, пруток, лом, губка, спеченные штапики).

Для технологических процессов, связанных с нагревом веществ в ЭЛУ (плавка, размерная обработка, сварка и т. п.), необходимая удельная энергия электронного луча

(3.5)

где N_уд – удельная энергия для образования ванны расплава диаметром d_s, равным толщине металла, м; λ – коэффициент теплопроводности металла, Вт×м/К; T_пл – температура плавления К; d₀ – диаметр участка, на краях которого температура остается неизменной.

Из формулы (3.5) следует, что основные параметры, определяющие размеры участка, расплавляемого электронным лучом, определяются теплопроводностью и температурой плавления.

Важную роль при электронно-лучевой плавке играют следующие процессы:

1. В вакууме происходит интенсивное удаление растворенных в металле газов, что значительно улучшает его механические свойства, особенно пластичность. Многие сплавы на основе вольфрама, молибдена, ниобия и других химически активных металлов получили промышленное применение только благодаря тому, что их выплавляют в вакууме.

2. Некоторые из вредных примесей (нитриды, карбиды, оксиды) при нагреве в вакууме разлагаются, при этом происходит вакуумное рафинирование переплавляемого металла.

3. При плавке в вакууме непрерывно происходят удаление газообразных продуктов из зоны реакции, вследствие чего равновесие химических реакций MeO + C → Me + СО сдвигается вправо, т.е. резко интенсифицируется раскислительные реакции. Это повышает качество выплавляемого в вакууме металла, значительно снижает в нём содержание газов и прежде всего кислорода.

Выпускаются ЭЛУ для переплава металла, который подают в установку в виде слитка, порошка, гранул ила мелкого металлолома.

Электронно-лучевая плавка удобна для выращивания монокристаллов (рис.3.2), когда на затравку 2 наплавляется материал 5 из тигля 7 и вытягивается с заданной скоростью вертикально вверх с получением монокристалла 3. В промышленности применяют электронно-лучевую плавку с последующей заливкой в вакууме литейных форм. На различных ЭЛУ для плавки в вакууме при давлении 10^–4 – 10^–7 Па получают слитки массой до 20 т. Локальный переплав обрабатываемых поверхностей с помощью электронного луча дает возможность получать чрезвычайно высокие скорости кристаллизации металла в зоне плавления. Образующиеся при этом структуры значительно отличаются от структур, получаемых в обычных условиях: расширяются границы растворимости для твердых растворов, измельчается микроструктура, значительно повышается пластичность и твердость.

Рис.3.2. Схема ЭЛУ для выращивания монокристаллов: 1 – электронная пушка, 2 – затравка, 3 – монокристалл, 4 – электронный луч, 5 – расплав переплавляемого материала, 6 – переплавляемый материал, 7 – водоохлаждаемый тигель

Такое поверхностное оплавление материала называют "облагораживающими", что позволяет для изготовления ответственных конструкций с высокими показателями износостойкости использовать недорогие исходные материалы и сплавы.

Электронно-лучевое испарение в вакууме материалов при нагреве их электронным лучом широко используется для получения тонких пленок. В отличие от других способов испарения, где энергия подводится к испаряемой поверхности через стенку тигля или высокотемпературный нагревательный элемент, при электронно-лучевом испарении осуществляется прямой нагрев поверхности испаряемого материала (рис. 3.3).

Рис.3.3. Схема электронно-лучевой испарительной установки

Это позволяет испарять материалы 8 из водоохлаждаемого тигля 9, что особенно важно при работе с химически активными и тугоплавкими материалами. Из бункера 5 испаряемый материал по желобу 7, приводимому в действие вибратором 6, поступает в водоохлаждаемый тигель 9. Траектория электронного луча 3, получаемого с помощью электронной пушки 1, искривляется отклоняющей системой 2 в направлении испаряемого вещества 8. В результате воздействия луча 3 на вещество оно испаряется, частицы пара поднимаются вверх и оседают на поверхности подложки 4, образуя плотную пленку 10. Применение отклоняющего магнитного поля позволяет располагать электронную пушку 1 практически в любом удобном месте испаряемого материала 8 из тигля 9.

При электронно-лучевом испарении удается управлять электронным лучом 3 в пространстве и во времени, регулируя тем самым интенсивность ввода энергии в испаряемое вещество 8, а, следовательно, скоростью испарения и распределения плотности потока пара.

Электронно-лучевое испарение применяют в микроэлектронике для нанесения различных металлических покрытий на стальную ленту, для изготовления фольги из псевдосплавов сложного состава. Электронным лучом можно испарять с последующим осаждением на подложку различные неметаллические материалы: диоксид кремния, оксид алюминия, различные виды стекла.

С помощью размерной обработки заготовки электронным лучом в ней получают глухие или сквозные отверстия заданных размеров или заданный контур. Размерная обработка основана на том, что при достаточно большой удельной поверхностной мощности скорость испарения обрабатываемого материала и давление пара возрастают настолько, что весь жидкий металл с потоком пара выбрасывается из зоны обработки. Строгое дозирование подводимой энергии осуществляется импульсным воздействием электронного луча на поверхность или его перемещением по поверхности с заданной скоростью.

Выделяют три режима размерной электронно-лучевой обработки:

1.Моноимпульсный режим - обработка ведется одиночными импульсами, т.е. отверстие получается за время действия одного импульса.

2 Многоимпульсный режим - отверстия получают воздействием на заданное место заготовки несколькими импульсами.

3 Режим обработки с перемещением электронного луча по заготовке с заданной скоростью.

Электронный луч применяют для обработки твердых материалов: алмазов, кварца, керамики, кристаллов кремния и германия; электронным лучом изготавливают металлические и керамические элементы фильтров, пористый материал для охлаждения камер сгорания и лопаток турбин.

Далее: 3.3. Физические основы лазеров