电子束加工技术及其在表面工程中的应用

电子束加工技术在表面工程中的应用
舶和冶金等工业领域 ! 1.$+2
0#电 子 束 物 理 气 相 沉 积 技 术 的 应 用 1032
由于电子束的产生和传输都是在真空室中进行
0;航 空 和 航 天 发 动 机 方 面 的 应 用
4电 子 枪和工作室处 于 真 空 ;$电 子 束 物 理 气 相 沉 积
0#电 子 束 焊 接
可 以 得 到 超 微 细 组 织 $提 高 材 料 的 强 韧 性 &3;处 理 过
电子束焊接具有焊缝深宽比大$焊接速度快$工 程在真空中进行$减少了氧化等影响$可以获得纯净
件 热 变 形 小$焊 缝 物 理 性 能 好$工 艺 适 应 性 强 等 优 的表面强化层&";能进行快速表面合金化$在极短时
空 等类型RO=电 子 束 镀 膜A可 蒸 镀 金 属 膜 和 介 质 膜R S=电 子 束 熔 炼 A包 括 难 熔 金 属 的 精 炼 A合 金 材 料 的 制
电 子 束 加 工 的 特 点 M9AON
造 以 及 超 纯 单 晶 体 的 拉 制 等 RT=电 子 束 热 处 理 A包 括
电子束加工具有如下特点Q
备一般都采用微机控制A并且常为一机多用R9=电子 作用A因此A电子束的能量应能使材料曝光而又不产
束 焊 接与其他电 子 束 加 工 设 备 不 同 之 处 在 于A除 高 生熔 化或 热 变 形A否 则A会 影 响 曝 光 精 度A甚 至 导 致
真空电子束焊机之外A还有低真空@非真空和局部真 工件报废B
金属材料的局部热处理以及对离子注入后半导体材
:P由于电子束能够极其微细地聚焦A是 :种精
料的退火等B上述各种电子束加工总称为高能量密 密微细加工方法B
度电子束加工B
9P电 子 束 能 量 密 度 很 高 A足 以 使 被 轰 击 的 任 何
高 能 量 密 度 电 子 束 由 电 子 枪 产 生A电 子 枪 的 阴 材料迅速熔化或气化A易于对钨@钼或其他难熔金属
加工需要一整套专用设备和真空系统$价格昂贵$因 凝’电子束表面合金化’电子束表面熔覆和制造表面
此 $在 生 产 和 应 用 上 有 一 定 的 局 限 性 !
非 晶 态 层 !经 表 面 改 性 的 表 层 一 般 具 有 较 高 的 硬 度 ’
电子束加工技术应用的类型
强度以及优良的耐腐蚀和耐磨性能 ! 1032 电 子 束表 面 改 性 的 特 点 如 下>0;快 速 加 热 淬 火
等大型零件!由 "#$%&’所制备的涂层可以提高其 奥氏体 的转 变温 度(通 过 冷 态 的 基 体 金 属 进 行 自 淬
与 基体的结合力(克 服 了 传 统 喷 涂 工 艺 所 带 来 的 涂 火(可 以获 得超 细 晶 粒 组 织 而 使 表 层 具 有 较 高 的 强
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 !
而凝聚在基体材料表面的 0种表面加工工艺!根据 他 零件的 冷却孔$涡 轮 发 动 机 燃 烧 室 头 部 及 燃 气 涡
该 工 艺沉积材料 的 性 质$可 以 使 涂 层 具 有 优 良 的 隔 轮$化纤喷丝头和电子电路印刷板等!
热’耐磨’耐 腐 蚀 和 耐 冲 刷 性 能$从 而 对 基 体 材 料 有 一 定 的 保 护 作 用 $因 此 $被 广 泛 应 用 于 航 空 ’航 天 ’船
调 节加速电压’电 子 束 流 和 电 子 束 的 汇 聚 状 态 来 完 明显有利于抗热震性$涂层无需后续加工$空气动力
成 $整 个 过 程 易 于 实 现 自 动 化 !
学性能 明显 优于 等 离 子 涂 层$因 此 涂 层 寿 命 大 大 高
)#电子束加工是在真空条件下进行的$既不产 于等离子喷涂涂层寿命!目前$56789:还可用于结
极发射出电子A并汇聚成电子束A在电子枪的加速电 及其合金进行加工B用电子束可以对某些熔点较高@
场 8通常由万:方TU数:据VTWX 的直流高压形成=作用下A电
导热 较差的 非金 属 材 料A如 石 英 和 陶 瓷 进 行 打 孔 或
\ S;\
]新技术新工艺^\材料与表面处理 9;;O年 第 _期
焊接!
提高生产效率的同时得到了性能良好的焊接接头! 指标!
美国和日本均采用电子束焊接工艺加工发电厂汽轮
%#电 子 束 打 孔
机的定子部件!美国近年来还在大型飞机制造源自文库广
电 子 束 打 孔 具 有 如 下 优 点 >能 加 工 各 种 孔 $包 括
泛应用电子束焊接工艺 ! 1)$*2
异 形 孔 ’斜 孔 ’锥 孔 和 弯 孔 &生 产 效 率 高 &加 工 材 料 范
涂 层由 其组成 成分和加 工工 艺决 定! 由 于 0&’沉
生粉尘$也不排放有害气体和废液$对环境几乎不造 构 涂 层$例 如 叶 片 和 反 射 镜 的 冷 却 槽 等 也 可 采 用
成污染$加工表面不产生氧化$特别适合于加工易氧 56789:方法加工$刀具’带材’医用手术刀’耳机保
化 的金属及合金 材 料$以 及 纯 度 要 求 极 高 的 半 导 体 护膜’射线靶子及材料 提纯 均可用 56789:方 法进
大 型铝合金零件 中$电 子 束 焊 接 工 艺 具 有 极 大 的 优 自行冷却$无需冷却介质和设备&);能对复杂零件的
势$并且可用于不同金属之间的连接 ! 1($)2 西欧采用 表 面 进 行 处 理$用 途 广 泛&*;电 子 束 功 率 参 数 可 控$
电 子 束代替过去 的 氩 弧 焊 焊 接 大 型 铝 合 金 筒 体$在 因 此$可 以 控 制 材 料 表 面 改 性 的 位 置’深 度 和 性 能
56789: 工 艺 已 成 功 地 将 氧 化 物 涂 层 和 多 层 金
也 是 在 真 空万中方进数行据 $因 此 $可 以 防 止 涂 层 的 污 染 和 氧
属?陶 瓷涂层 以 较 高 的 沉 积 速 率 应 用 于 涡 轮 发 动 机
A新技术新工艺B@材料与表面处理 3,,"年 第 .期
@ %0@
电子束热效应是将电子束的动能在材料表面转 分 辨 率 较 差RO=软 [射 线 曝 光A软 [射 线 由 电 子 束
化成热能以实现对材料的加工A其中包括Q:=电子束 产生A是 :种间接利用电子束的投影曝光法B
精 微 加工A可 完 成 打 孔@切 缝 和 刻 槽 等 工 艺A这 种 设
电子束曝光利用电子束对电致抗蚀剂产生化学
工A尤其是在表 面 工 程 应 用 等 方 面 都 显 示 出 其 独 特
当 电 子 束 轰 击 材 料 时A其 能 量 大 部 分 转 化 成 热
的优越性B
能 A使 材 料 局 部 区 域 温 度 急 剧 上 升 并 且 熔 化 A甚 至 气
电 子 束 加 工 的 原 理 M9AON
化 而 被 去 除 A从 而 实 现 对 材 料 的 加 工 或 表 面 处 理 B 9P电 子 束 化 学 效 应 的 利 用
关键词 电子束加工 加工原理及特点 应用类型 表面工程
CDEFGHIJ #"#$%&’(K#*+ +*$-.(.(/A+#$-*(.2+ *(0$-*&*$%#&.2%.$A*44".$*%.’(%L4#2A%-#
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利用高能量密度的电子束对材料进行工艺处理 子的 速度被 提高 到 接 近 或 达 到 光 速 的 一 半A因 而 具
电子束加工技术及其在表面工程中的应用
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南京航空航天大学机电学院 89:;;:<= 张文峰 朱荻
>摘 要 ?分 析 了 电 子 束 加 工 的 原 理 @特 点 及 其 应 用 类 型 A介 绍 了 电 子 束 加 工 技 术 在 表 面 工 程 中 的 应用B
化!具有柱状结构的涂层在高温条件下抗剥落的能
"#电子束能量密度高$因而加工生产率很高! 力较高!在控制工艺条件的前提下$可以使涂层与蒸
%#电子束加工速度快$加工点向基体散失的热 发 材料 中的相 和 元 素 含 量 保 持 一 致$这 是 电 子 束 物
量 少$工件 热 变 形 小&电 子 束 本 身 不 产 生 机 械 力$无 理气相沉积的一大优点!而且它还可以蒸发易挥发
电 子 束 加 工 作 为 一 种 特 种 加 工 方 法 A其 机 理 是
电子束化学效应是利用电子束代替常规的紫外
利 用 电子束的能 量 对 材 料 进 行 加 工A是 一 种 完 全 不 线照射抗蚀剂以实现曝光A其中包括Q:=扫描电子束
同于传统机械加工的新工艺B
曝 光 A用 电 子 束 按 所 需 的 图 形 A以 微 机 控 制 进 行 扫 描
孔@物理气相沉积A以及电子束表面处理等在工业上 此A其能量非常集中B电子束的功率密度8即单位时
的应用最为广泛M:NB随着该项技术的不断发展A它已 间 内 输 入 单 位 面 积 材 料 中 的 能 量 =可 高 达 :;V
用 于 大 批 量 生 产@大 型 零 件 制 造 以 及 复 杂 零 件 的 加 YZ++9B
电 子 束 加 工 工 艺 按 其 对 材 料 的 作 用 原 理A可 以 曝光B其特点是图形变换的灵活性好A分辨率高R9=
分为两大类B
投 影 电 子 束 曝 光 A这 是 一 种 大 面 积 曝 光 法 A由 光 电 阴
:P电 子 束 热 效 应 的 利 用
极 产 生 大 面 积 平 行 束 进 行 曝 光 A其 特 点 是 效 率 高 A但
材料!
行 表 面 处 理 ! 10,$002
*#电 子 束 可 将 +,- 以 上 的 电 能 转 换 成 热 能!
"#电 子 束 表 面 改 性 技 术
此 外 $电 子 束 的 能 量 集 中 $损 失 较 小 !
利用电子束的加热和熔化技术还可以对材料进
.#电子轰击材料时会产生 /射线$并且电子束 行表面改性!例如$电子束表面淬火’电子束表面熔
机械变形问题!这些优异性能$对于打孔’焊接和零 的材料$例如铝 ! 1.2
件 的 局 部 热 处 理 来 说 $尤 为 重 要 !
56789: 主 要 应 用 于 飞 机 发 动 机 的 涡 轮 叶 片 热
(#电 子 束 能 量 和 能 量 密 度 的 调 节 很 容 易 通 过 障 涂 层$涂 层 厚 度 最 大 可 达 ",,<=$涂 层 显 微 结 构
3#电 子 束 物 理 气 相 沉 积 456789:;技 术
围广&加工质量好$无毛刺和再铸层等缺陷 ! 13$"2
电 子束物理气相沉积456789:;是利 用 高 速运
电 子 束 打 孔 在 国 外 已 被 广 泛 应 用 于 航 空’核 工
动 的 电 子轰击沉 积 材 料 表 面$使 材 料 升 温 变 成 蒸 气 业以及电子’化学等工业!如喷气发动机的叶片及其
的一切方法统称为电子束加工B包括电子束焊接@打 有很高的动能B电子束再经电磁透镜的聚束作用A汇
孔@表 面 处 理@熔 炼@镀 膜@物 理 气 相 沉 积@雕 刻@铣 聚成为更细的束流B束斑直径为数微米至 :++A而
切@切割以及电子束曝光等B其中以电子束焊接@打 在 某 些 应 用 场 合A束 斑 直 径 可 小 至 几 十 个 纳 米A因
点$并且能 改 善 接 头 机 械 性 能’减 少 缺 陷’保 证 焊 接 间内取 得热 处理 几 小 时 甚 至 几 十 小 时 的 渗 层 效 果&
稳定性和重复性$因而具有极为广阔的应用前景 ! 1%2 %;电 子 束 的 能 量 利 用 率 较 高$可 以 对 材 料 进 行 局 部
电 子 束 焊 接 的 加 工 范 围 极 为 广 泛$尤 其 在 焊 接 处理$是一种节能型的表面强化手段&(;表面淬火是
*+工 模 具 的 涂 层 在 工 模 具 表 面 沉 积 硬 的 耐 磨 涂 层 ,如 -./)
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!
-.0+可 以 使 工 模 具 的 寿 命 提 高 12 3倍(这 些 耐 磨