Развитие электронно-лучевой технологии

Содержание

ВВЕДЕНИЕ____________________________________________   

Развитие электронно-лучевой технологии___________________

Технология электронно-лучевой обработки материалов_______

Испарение материалов___________________________________

Электронно-лучевая плавка металлов_______________________

Электронно-лучевая сварка_______________________________

Особенности образования отверстий при  электронно-лучевой обработке______________________________________________

Заключение____________________________________________

Список литературы______________________________________

ВВЕДЕНИЕ

Развитие народного хозяйства нашей страны требует широкого внедрения в промышленность новых эффективных технологических процессов, основанных на достижениях современной науки и техники.

Одним из направлений, существенно расширяющих технологические возможности процесса обработки материалов, является использование концентрированных потоков энергии (струи плазмы, лазерного, электронного, ионного лучей и др.).

Электронно-лучевая обработка является одним из разделов этого, успешно развивающегося, перспективного направления.

Широкие возможности автоматизации электронно-лучевой обработки материалов, ведение процесса в вакууме, что обеспечивает высокую чистоту обрабатываемого материала, концентрация энергии в электронном луче до значений, недоступных ранее известным источникам, — все это способствовало внедрению электронно-лучевой обработки как в отрасли, связанные с точным производством (приборостроение, электроника и др.), так и в отрасли, производящие крупногабаритные изделия (например, тяжелое машиностроение).

С помощью электронного луча выполняют такие технологические операции как фрезерование, сверление, термообработка, плавка, сварка, пайка и др.

В разработке теоретических основ процесса воздействия электронного луча на материалы и в практических применениях этого процесса достигнуты значительные успехи.

Установлено, что непрерывное электронно-лучевое воздействие на материал переходит в зоне обработки в прерывистое. Учитывая эти особенности процесса, можно использовать как непрерывные, так и импульсные режимы воздействия, что существенно повышает эффективность обработки и расширяет технологические возможности электронных пучков.

Развитие электронно-лучевой технологии.

После открытия электрона и измерения отношения его заряда к массе началось широкое изучение свойств электронных потоков, их получения и взаимодействия с электрическими и магнитными полями. Электронный микроскоп был создан трудами ряда ученых, в том числе Н. Руска, М. фон Арденна (Германия), В. К. Зворыкина (США) в 20-30-х гг. ХХ в. В нем применялись электронные пушки небольшой мощности с малыми токами и большими разгоняющими напряжениями. Тогда же были разработаны электростатические и магнитные системы управления электронным лучом.

Идея создания установки электронно-лучевого нагрева появилась еще в начале XX в., и в 1905 г. М. фон Пирани получил патент Германии на использование электронного луча как источника нагрева. Однако для технологического использования требовались более мощные электронные пушки, создание которых связано с различными конструктивными трудностями, а также были необходимы исследования взаимодействия электронного луча и материала обрабатываемого изделия.

Первые электронно-лучевые установки (ЭЛУ) для плавки ниобия и тантала были созданы в 1950-х гг. С 1960 г. ЭЛУ стали использоваться для нанесения покрытий, а затем и для обработки поверхности и размерной обработки, с 1970 г. - для нетермической микрообработки и химической обработки полимеров.Принципы создания электронной пушки для плавки или сварки были разработаны только в 1940 г. (Дж. Р. Пирц, США).

В СССР в конце 50-х гг. ХХ в. работы по ЭЛУ начали вести несколько организаций: кафедра ЭТУ МЭИ (М. Я. Смелянский, Л. Г. Ткачев), ВЭИ (В. И. Переводчиков), ВНИИЭТО (В. А. Хотин), Институт электросварки (ИЭС) им. Е. О. Патона АН УССР (Б. А. Мовчан), Всесоюзный институт легких сплавов - ВИЛС (А. Ф. Белов, И. А. Кононов), Государственный институт редких металлов - Гиредмет, Всесоюзный институт авиационных моторов - ВИАМ и др.

В МЭИ в 1959 г. был создан стенд с пушкой мощностью до 60 кВт, а позднее ЭЛУ мощностью 500 кВт. В 1961 г. в ВНИИЭТО изготовлена первая электронно-лучевая печь-стенд мощностью 200 кВт. Плосколучевые пушки мощностью 20-300 кВт при ускоряющем напряжении 15-20 кВ созданы ИЭС. Серию промышленных электронных пушек на мощности 60-500 кВт разработал ВЭИ.

Технология электронно-лучевой обработки конструкционных материалов.

Рис. Х1.11. Блок-схема электроннолучевой обработки:

1 — генератор импульсов; 2 — импульсный трансформатор; 3 — источник напряжения возбуждения и накала; 4 — катод; б — источник высокого напряжения; в — электромагнитная юстировка; 7 — диафрагма; в — корректор изображения;

о — магнитная линза; 10 — источник питания линзы; 11 — контрольный контур; 12 — катодный осциллоскоп; 1д — обрабатываемая деталь; 14 — рабочий стол

Установка для электронно-лучевой обработки (рис. XI.11) состоит из электронной пушки, в которой формируется мощный электронный луч, вакуумной или рабочей камеры (вместе с устройствами для точной установки и перемещения заготовки), вакуумных насосов, создающих вакуум порядка 10-5 см рт. ст. (1,33 -10“2 Па), контрольной системы, управляющей электронным лучом и его траекторией, высоковольтного источника энергии, приборов для контроля и наблюдения за ходом процесса. Для уменьшения энергии, рассеиваемой в материале детали, применяется импульсный режим работы. При стационарном режиме энергия пучка рассеивается практически одинаково во всех направлениях (рис. XI.12, а), а в импульсном режиме эта энергия концентрируется (рис. XI.12, б).

 Рис. XI.12. Схема распространения  тепловых потоков при стационарном (а) и импульсном (б) режимах электронно-лучевой  обработки

Для уменьшения энергии, рассеиваемой в материале детали, применяется импульсный режим работы. При стационарном режиме энергия пучка рассеивается практически одинаково во всех направлениях (рис. XI.12, а), а в импульсном режиме эта энергия концентрируется (рис. XI.12, б). Паузы между импульсами выбирают такими, чтобы потери энергии на рассеивание были небольшими. Импульсный режим позволяет регулировать энергию нагрева и управлять скоростью съема металла. В существующих установках длительность импульса изменяется от 1СГ2 до 10~6 с, а частота повторения — от 50 до 5000 Гц. Электронно-лучевым методом можно обрабатывать как электропроводящие, так и не электропроводящие материалы с любыми механическими свойствами. Однако предпочтительнее обработка деталей из электропроводящих материалов или деталей с токопроводящими покрытиями. В этом случае статический заряд отводится путем заземления обрабатываемой детали. Наличие статического заряда оказывает дефокусирующее действие на поток электронов. Электронно-лучевая обработка успешно применена для вырезания микродиодов, изготовления тонких пленок и сеток из медной фольги, фильер (рис. XI.13), а также для изготовления алмазных волок.

Рис. XI. 13. Фильеры из нержавеющей стали (толщиной 0,5 мм; для изготовления синтетического волокна

Обычно диаметр получаемого отверстия (или ширина канавки) на 10% больше диаметра электронного пучка. Обработанные отверстия имеют небольшую конусность. Необходимая плотность энергии зависит от свойств обрабатываемых материалов и требуемой площади обработки.

Преимущества электронно-лучевой обработки: отсутствие химического взаимодействия между пучком электронов и обрабатываемым материалом, возможность обработки очень малых отверстий и узких прорезей (до 0,01 мм), легкость автоматизации обработки небольших контуров (размером 6x6 мм) путем программирования, возможность обработки труднодоступных мест.

Недостатки электронно-лучевой обработки: необходимость создания вакуума (на это требуется 15—20 мин), сложность, громоздкость и высокая стоимость оборудования, склонность к другому образованию при возникновении встречного потока ионов при испарении обрабатываемого материала ,необходимость защиты обслуживающего персонала от жесткого рентгеновского излучения.

Испарение материалов

Испарение (точнее, испарительное осаждение) в вакууме является важным способом получения тонких пленок.

Использование электронных пучков в процессах, связанных с испарением материалов, обусловлено особенностями распределения потоков энергии при нагреве этого материала. При электронно-лучевом испарении испаряемая поверхность непосредственно нагревается бомбардирующими ее электронами. Такой способ подвода энергии дает электронно-лучевому испарению ряд преимуществ по сравнению с традиционными.

Другим стимулом внедрения электронно-лучевого испарения является возможность, управляя электронным пучком во времени и пространстве, управлять тем самым и потоком энергии в испаряемое вещество и воздействовать на скорость испарения и распределение плотности потоков пара.

Испарительное осаждение - это процесс вакуумного нанесения покрытий, при котором между испарителем и подложкой создается направленный поток пара.

Принцип электронно-лучевого испарения пояснен на рис. 2.1.

Рис. 2.1 - Принцип электронно-лучевого испарения материалов: 1 - электронная пушка; 2 - электронный пучок; 3 - поверхность, бомбардируемая пучком; 4 - кожух технологической камеры; 5 - водоохлаждаемый тигель; 6 - испаряемый материал; 7 - расплавленная часть материала; 8 - поверхность испарения; 9 - откачка вакуума; 10 - диафрагма испарителя; 11 -поток пара; 12 - напыляемый слой; 13 - подложка; 14 - подогреватель подложки

В основных чертах установка для электронно-лучевого испарения состоит из технологической камеры с системой откачки, тигля с испаряемым материалом, электронной пушки, заслонки для пара и подложки с приспособлениями для её крепления, а иногда – нагрева.

Для того чтобы электронный пучок в поток пара распространялись в технологической камере беспрепятственно, давление в ней должно поддерживаться достаточно малым.

Нанесение покрытий из сплавов требует обеспечение одинакового соотношения компонентов сплава как по всей поверхности подложки, так и по толщине слоя. Слои из сплавов напыляют двумя методами: многотигельного испарения или однотигельного испарения.

При многотигельном испарении компоненты испаряются порознь, каждый из своего тигля, а конденсируются на подложке совместно. При однотигельном испарении поток пара создается и конденсируется, имея тот состав, который требуется для покрытия. Вариантом однотигельного испарения является процесс, аналогичный фракционной возгонке, когда из тигля с большим количеством расплавленного вещества его испаряют покомпонентно, изменяя мощность подогрева по определенному графику.

Испарение соединений сопровождается частичной или полной их диссоциацией, и получить из таких соединений простым испарением тонкие пленки заданного состава невозможно. Однако для ряда соединений. таких, как хлориды, сульфиды, селениды, теллуриды, а также полимеры, благодаря малой степени диссоциации или вследствие рекомбинации компонентов при конденсации, возможность теоретического напыления все же существует.

Промышленное применение электронно-лучевого испарения, благодаря его преимуществам, существенно потеснило традиционные способы испарения и открыло новые возможности.

Электронно-лучевая плавка металлов

Рис. 2.2 - Принцип электронно-лучевого переплава: 1 - электронная пушка; 2 - электронный пучок, направляемый на расплавляемый штабик 5 и ванну расплавленного металла 7; 3 - откачка вакуума; 4 - плавильная камера; 6 - капли переплавляемого металла; 8 - выплавляемый слиток; 9 - водоохлахдаемый кристаллизатор; 10 - устройство вытяжки слитка; 11 - смотровые окна

Электронно-лучевая плавка является весьма удобным способом получения слитков тугоплавких и химически высокоактивных металлов. Здесь используются такие особенности электронно-лучевой плавки, как высокая удельная поверхностная мощность в рабочем пятне пучка и наличие вакуума, препятствующего поглощению газов в ходе плавки. Областью применения электронно-лучевого переплава является производство особо чистых сталей и выплавка слитков и фасонных отливок из химически активных и тугоплавких металлов.

Процесс плавки изображен на рис. 2.2, где показано взаимное расположение электронной пушки, переплавляемой заготовки и кристаллизатора. Часть модности пучка расходуется для нагрева переплавляемого металла на торце заготовки до температуры плавления. Расплавляясь, материал в виде капель перетекает в ванну расплава в кристаллизаторе. Скорость плавки пропорциональна мощности пучка, приходящейся на расплавляемую заготовку. Другая часть мощности пучка подводятся в кристаллизатор. Она должна быть достаточной для того, чтобы материал в ванне находился в расплавленном состоянии вплоть до стенки кристаллизатора. Это дает возможность получать слитки с гладкой боковой поверхностью. Если кроме формирования такого слитка требуется проводить еще и рафинирование расплава, то мощность, подводимую в кристаллизатор, следует увеличить.

Электронно-лучевая плавка может сочетаться с литьем. Для этого необходимым элементом является литейный тигель, в котором материал расплавляют и поддерживают жидким в достаточном количестве. Литейный тигель может быть футерованным или медным водоохлаждаемым. Керамическая футеровка тиглей и изложниц допустима только тогда, когда реакции материала футеровки с расплавом не происходят или когда они не наносят вреда качеству продукта.

Перспективы развития электронно-лучевой плавки обусловлены потребностями ядерной, аэрокосмической техники, электроники и химической технологии в особо чистых материалах, сохраняющих прочностные свойства при высоких температурах или обладающих высокой химической стойкостью.

В настоящее время в мире насчитывается несколько сотен электронно-лучевых плавильных установок, работающих в промышленности.

Электронно-лучевая плавка занимает прочные позиции в производстве слитков из ниобия и тантала. В металлургии титана и других высокоактивных и тугоплавких металлов, а также кремния, повышается значение электронно-лучевой плавки как способа переработки возвратных отходов производства.

Электронно-лучевая сварка

При электронно-лучевой сварке кинетическая энергия электронов пучка используется для того, чтобы расплавить жестко ограниченные участки примыкающих друг к другу деталей с тем, чтобы расплав, застывая, соединил детали. Положительной стороной электронно-лучевого способа сварки является возможность создания относительно высокой удельной поверхностной мощности в пятне пучка при достаточно высоких значениях мощности всего пучка. Ввиду того, что процесс электронно-лучевой сварки ведется в вакууме, этим способом можно сваривать детали из химически активных металлов.

Электронно-лучевая сварка позволяет получать сварные соединения с отношением глубины шва к его ширине, намного большим единицы, чего невозможно добиться другими способами сварки плавлением.

Процесс сварки протекает следующим образом. При достаточной поверхностной мощности электронного пучка в месте его встречи с поверхностью детали появляется небольшая ванночка с расплавом. Если увеличить удельную поверхностную мощность, сфокусировав пучок более остро, то в обрабатываемом материале образуется паровая полость - канал проплавления. Этот эффект называют эффектом глубокого (кинжального) проплавления. Нарушение оптимального режима электронно-лучевой сварки ведет к появлению в швах дефектов, причем даже на хорошо свариваемых материалах.

При ЭЛС используют ряд технологических приемов для улучшения качества шва:

- сварку наклонным лучом (отклонение в направлении перемещения на 5—7°) для уменьшения пор и несплошностей и создания более равномерных условий кристаллизации;

- сварку с присадкой для легирования металла шва или восстановления концентрации легкоиспаряющихся в вакууме элементов;

- сварку на дисперсной подкладке для улучшения выхода паров и газов из канала (подкладка толщиной ~40 мм из гранул или рубленой сварочной проволоки);

- сварку в узкую разделку (0,8—8 мм) в нижнем положении за счет наплавки присадки в прямоугольную разделку кромок;

- тандемную сварку двумя электронными пушками, из которых одна осуществляет проплавление, а вторая (меньшей мощности) формирует либо корень канала, либо хвостовую часть ванны. При квазитандемной сварке используют один луч, но периодически отклоняя его, например в хвост ванны, получают практически два луча;

- предварительные проходы для проверки позиционирования луча и очистки и обезгаживания кромок свариваемых металлов;

- двустороннюю сварку одновременно или последовательно двух противоположных сторон стыка примерно на половину толщины стыка. - Одновременную двустороннюю сварку осуществляют как с общей ванной, так и с раздельными;

- развертку электронного луча: продольную, поперечную, Х-образную, круговую, по эллипсу, дуге и т. п. с амплитудой порядка диаметра луча и частотами до 1—2 кГц для создания более благоприятных газо- и гидродинамических условий формирования канала (резонансные режимы нагрева). Двойное преломление луча в процессе развертки позволяет, например, расширить корневую часть канала, что необходимо для подавления корневых дефектов;

- расщепление луча (за счет отклоняющей системы) для одновременной сварки двух и более стыков (точек);

- модуляцию тока луча (обычно с частотой 1—100 Гц) для управления тепло подачей в сварной шов;

- «косметическое» заглаживание — повторный проход для ремонта видимых дефектов шва как с внешней, так и с внутренней сторон. В некоторых случаях «косметические» проходы осуществляют с присадкой.

Недостатки метода ЭЛС:

•Сложность и высокая стоимость оборудования.

•Необходимость наличия вакуумных камер, что ограничивает размеры свариваемых изделий.

•Вредное рентгеновское излучение в процессе ЭЛС.

•Необходимость высококвалифицированного персонала.

Особенности образования отверстий   при  электронно-лучевой обработке:

Термическая размерная обработка, как правило, предназначена для изменения химического состава или структуры обрабатываемого материала, получения отверстий заданного диаметра или пазов заданной ширины, глубины и профиля сечения.

Результат размерной обработки зависит от поведения материала при повышении температуры. В результате термической размерной обработки происходят следующие явления:

фазовые превращения в твердом состоянии, появляющиеся, например, при закалке соответствующих сталей;

сублимация — удаление материала при выполнении отверстий, пазов, резании, гравировании алмаза, графита, кварцевого стекла;

разложение твердого материала на летучие компоненты и унос материала при резании синтетических материалов, керамики, бумаги;

разложение с образованием, по крайней мере, одного твердого компонента и удаление материала при резании, сверлении, гравировании арсенида галлия, фосфида галлия;

плавление материалов при микросварке металлов, полировании металлов и полупроводниковых материалов (кремний, германий), нанесении рисок оплавлением (кремний, германий, керамика, ферриты), легировании полупроводников путем вплавления лигатур при изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем;

испарение — удаление материала при сверлении, резании, гравировании металлов, диэлектриков, синтетических материалов.

Обрабатываемость    материала в основном зависит от его теплофизических свойств и удельной мощности пучка электронов. Чтобы избежать избытка жидкой фазы, добиться максимальной производительности за счет реализации резонансных режимов нагрева, обработку ведут в импульсных режимах. При этом возможны следующие технические варианты обработки: моноимпульсная, многоимпульсная, с быстрым отклонением луча.

Выброс жидкой фазы при обработке. Экспериментальные данные различных исследователей по измерению удельной работы разрушения показывают, что практически для всех металлов больше энергии плавления, но меньше энергии превращения в пар.

В продуктах выброса находится значительное количество жидкой фазы . Затраты введенной энергии, приводящие к удалению вещества при обработке и при сварке с «кинжальным» проплавлением , например, сталей только на 10—20 % превышают затраты на плавление. Это приводит к малому различию в энергетических балансах процессов получения отверстий и проплавления и существенно упрощает их тепловые расчеты.

Причины  преждевременного вскипания вещества, приводящего к   выносу жидкой фазы в основном можно свести к двум моментам:

- вскипанию за счет  гетерогенных центров зарождения  паровой фазы,

-   вследствие перегрева. В первом случае факторами, облегчающими  вскипание, являются: пузырьки растворенного  в металле газа, объем которого  может превышать объем основного  металла в десятки и даже  сотни раз;  не идеальность контактов; локальные пульсации температуры, например вследствие неоднородности временной структуры импульса энергии, приводящие к генерации внутрь материала волн сжатия и разрежения как и при ультразвуковых колебаниях.         

Объяснить причины вскипания при перегреве затруднительно из-за сложности физики процесса. Перегрев может возникать вследствие того, что нагрев и плавление металла в зоне действия луча происходят в условиях сжатия материала давлением отдачи паров. Так как разгрузка в расплавленном объеме после прекращения действия импульса энергии происходит за время 10~3—10~4 с, т. е. со скоростью распространения волн напряжения (скоростью звука), то металл практически мгновенно заметно перегревается, что равносильно быстрому избыточному тепловыделению в локальном объеме.

Согласно другой точке зрения, перегрев связан с наличием в зоне действия луча двух слоев с разным характерным временем изменения температуры. Если при колебаниях интенсивности нагрева внутренние слои жидкой фазы попадают в условия перегрева, то происходит вскипание, так как, одновременно является временем релаксации давления отдачи.

Вскипание и вынос жидкой фазы могут быть связаны с периодическими (вследствие экранировки) колебаниями давления отдачи паров при поверхностном испарении, которые приводят к генерации в жидком объеме металла механических колебаний, стимулирующих рост равновесных пузырьков растворенного газа.