книги / Электронно-лучевая, лазерная и ионно-лучевая обработка материалов

- II -

Электронные пупки для технологических целен, в зависимости от ускоряющего напряхенжя, можно условно раэделнть на три основные группы: низковольтные - с ускоряющим напряженней 20...30 кВ; с промежуточным ускоряющим напряжением - 40...60 кВ и высоковольт­ ные - с ускоряющим напряжением 100...150 кВ.

В зависимости от ускоряющего напряжения, как правило, меняет­ ся и материал катода. При низких и промехуточных ускоряющих нап­ ряжении применяются катоды.из гексаборида лантана с косвенным по­ догревом. В пушках с высоким ускоряющим напряжением используются прямонакальные металлические катоды, которые чаще всего выполня­ ются в виде плоских спиралей из вольфрамовой проволоки или в ви­ де полосок из тантала толщиной 0,1...0,2 мы и шириной 0.8...I ш .

1.3. Установки для электронно-лучевой обработки материалов

Основными областями промышленного применения электронно-лу­ чевого оборудования является:сварка, плавка, испарение, размер­ ная и термическая обработка материалов. Широкое использование в промышленности перечисленных процессов привело к созданию больно­ го числа электронно-лучевых технологических установок.

Электронно-лучевые технологические установки состоят из двух основных комплексов: энергетического и электромеханического. К энергетическому комплексу относится аппаратура, предназначенная для формирования пучка электронов с заданными параметрами, управ­ ления его мощностью и положением в пространстве. Электромехани­ ческий комплекс установки предназначен для герметизации и вакуу­ мирования рабочего объема, выполнения всех установочных, транс­ портных и рабочих перемещений обрабатываемого изделия и электрон­ ной пушки.

Вакуумные камеры для электронно-лучевой обработки являются одним из наиболее важных узлов установки для электронно-лучевой обработки. От их Форш, конструкции, жесткости и габаритов зави­ сят габариты и качество обрабатываемых за одну откачку изделий, удобство их загрузки и выгрузки, возможность пристыковки допол­ нительных объемов в нужном направлена и др.

По степени специалиэацп различают два типа камер: универ­ сальные и специализированные.

-12 -

Ун и в е р с а л ь н ы е камеры предназначены для обработ­ ки изделии любой формы и габаритов в пределах габаритов камеры. Такие камеры используются в единичном и мелкосерийном производст­ ве и выпускаются в соответствии с принятыми параметрическими ря­ дами. Это дает возможность выбрать камеры наиболее подходящих размеров применительно к конкретным изделиям.

С п е ц и а л и з и р о в а н н ы е камеры неразрывно свяэа- с конструкцией и габаритами конкретного изделия или группы изде­ лий. Часто специализированные камеры выполняют по форме обрабаты­ ваемого изделия.

Откачные системы служат для создания и поддержания в процессе работы высокого вакуума в ускоряющем промежутке электронной пуш­ ки и в вакуумной камере. Типовая схема откачной системы техноло­ гической электронно-лучевой установки приведена на рис. 1.3.

Откачная система состоит из механического насоса предвари­ тельного разряжения (форвакуумного насоса) и диффузионного паромаслянного насоса, снабженного вакуумным затвором.

Предварительная откачка камеры выполняется форвакуумным насо­ сом, а затем открывают затвор диффузионного насоса, и происходит откачка камеры до рабочих значений вакуума. Для повышения пропус­ кной способности вакуумпроводов стремятся к их минимальной длине и возможно большему диаметру. Перегибы вакуумпроводов выполняют плавными с большими радиусами закруглений.

Манипуляторы предназначены для рабочих, установочных и транс­ портных перемещений обрабатываемого изделия и электронной пушки. Они делятся на две основные группы: манипуляторы изделия и мани­ пуляторы пушки. Первые являются непременным элементом практически любой установки для электронно-лучевой обработки, а вторые ис­ пользуют в тех случаях, когда электронная пушка перемещается вну­ три вакуумной камеры.

По конструктивному исполнению манипуляторы подразделяются на универсальные Сс большим количеством степеней свободы) и специа­ лизированные Сдля обработки конкретных изделий). Применение более сложных универсальных манипуляторов целесообразно при единичном и мелкосерийном производстве с частой сменой типа обрабатываемых изделий. Упрощенные сменные манипуляторы обычно приспосабливаются к конструкции конкретного изделия или группы однотипных изделий.

- 14 -

Универсальные манипуляторы изделия чаще всего выполняются в виде тележек, вращателей, двухкоординатных столов и т. п. Манипу­ ляторы электронной пушки выполняются в виде шарнирно-рычажных ус­ тройств, в виде набавляющей траверсы, по которой перемещается каретка с шарнирно закреплённой на консоли пушкой, в виде двух- и трехкоординатных механизмов прямолинейного перемещения, а также в виде различного типа самоходных портальных механизмов.

Системы наблюдения, используемые при электронно-лучевой обра­ ботке, в большинстве случаев нуждаются в защите их от эапыления дарами обрабатываема материалов.

В качестве защитных устройств применяются поворотные прозрачные экраны и прозрачные перемещаете защитные пленки. В случаях особо интенсивных паровых потоков применяют стробоскопические устройст­ ва.

Смотровое окно кроме прочного иллюминаторного стекла содер­ жит рентгеновское стекло, необходимое для защиты обслуживающего персонала от рентгеновского излучения из области взаимодействия электронного пучка с металлом.

Оптические устройства, увеличивающие объект наблюдения в 5...

50 раз, могут быть независимыми и встроенными в конструкцию смот­ рового окна или электронной пушки.

Телевизионные системы дают возможность передавать изображение на большие расстояния и устанавливать передающую телевизионную камеру в непосредственной близости от электронной пушки.

Вспомогательные устройство и механизмы предназначены, для вы­ катывания манипуляторов из вакуумной камеры Свыдвижные платфор- ш), для сборки изделий и других целей.

Электропривод в установках для электронно-лучевой обработки управляется как в ручном дистанционном режиме для простых систем, так и в автоматическом режиме для более сложных систем!

Управляющие функции могут выполняться с помощью компьютерных систем или средствами локальной автоматики. Наибольшее распрост­ ранение в управлении электроприводами получили средства.локальной автоматики, при этом локальная автоматика может быть выполнена как на релейно-контактной элементной базе, так и на базе интег­ ральных микросхем или программируемых логических контроллеров.

Уэханиэм! перемещения обрабатываемого изделия и электронной

- 15 -

пушки должны работать или в режиме позиционирования, когда необ­ ходима высокая точность отработки и высокая точность позициониро­ вания, или в режиме технологического перемещения, когда необ­ ходимы высокая стабильность скорости перемещения, высока динамич­ ность и плавное регулирование скорости перемещения. Эти механиз­ мы в основном располагается внутри технологических вакуумных ка­ мер, В ограниченных объемах, и работает в условиях тяжелых меха­ нических и тепловых нагрузок..

2. ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ о б р а б о т к и КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

При осуществлении всех электронно-лучевых процессов электрон­ ный пучок использует в качестве энергоносителя, который в-соот­ ветствующем виде воздействует'на обрабатываемый материал. Цучок генерируется в электронной пушке и через выходное отверстие пушки выводится в технологическую вакуумную камеру. В ней размещены или в нее вводятся объекты электронно-лучевого процесса - заготовки или материалы. Например, при плавке переплавляемый металл подают под пучок, а расплавленный стекает в тигель или кристаллизатор.

При напылении в рабочей камере наряду с устройствами для по­ дачи испаряемого'материала устанавливают приспособления для креп­ ления и перемещения изделия, на поверхность которого производится напыление.

При встрече электронного пучка с веществом кинетическая энер­ гия электронов пучка, взаимодействующих с атомами вещества, в ре­ зультате ряда элементарных процессов превращается в другие формы энергии. При сварке, плавке, испарении и термической обработке используется возникающая при этом тепловая энергия. При нетерми­ ческой обработке и других процессах химической электронно-лучевой технологии столкновения электронов пучка с атомами и молекулами возбуждают и ионизируют последние, вызывая химические реакции между ними. Эти эффекты воздействия электронного пучка на вещест­ во и определяют области электронно-лучевой технологии.

-1 6 -

2.1.Испарение материалов

Испарение (точнее, испарительное осаждение) в вакууме являет­ ся да«ямм способом получения тонких пленок. Обширные исследова­ ния физических и прикладных свойств таких пленок и успехи техно­ логических разработок в этой, области привели ко все возрастающему размаху их применения. Этому в немалой степени способствовало применение электронно-лучевого способа испарения материала в тех­ нике вакуумного нанесения покрытий.

Использование электронных пучков в процессах, связанных с ис­ парением материалов, обусловлено особенностями распределения по­ токов эяерпш при нагреве этого материала. Если при других спо­ собах нагрева энергия подводится к испаряемой поверхности через стенку тигля и через испарявши материал, то при электронно-луче­ вом испарении эта поверхность непосредственно нагревается бомбард­ ирующими ее электронами. Такой способ подвода энергии дает элек­ тронно-лучевому испарению ряд преимуществ по сравнению с традици­ онными.

При прямом нагреве температура испаряемой поверхности - наи­ более высокая во всем устройстве. Поэтому при прямом нагреве воз­ можно испарять материалы из водоохлаждаемых тиглей, применение которых и является характерным для электронно-лучевого испарения.

Водоохлахдаешй тигель необходим при испарении химически вы­ сокоактивных, а особенно тугоплавких материалов. Электронно-луче­ вое испарение материалов из охлаждаемых тиглей позволяет получать покрытия высокой чистоты, потому что почти полностью исключается

применения прямого нагрева, дающий возможность получать покрытия высокой чистоты. - бестигельное испарение.

Снизить, тепловые потери тигля, и тем салим повысить скорость испарения при хорошей степени использования энергии можно, приме­ няя теплоизолирующие тигельные вставки. '

.. Другим стимулом внедрения электронно-лучевого испарения явля­ ется возможность, управляя элеКтрЬнйым пучком .во времени и прост­ ранстве, управлять тем самый И потоком энергии в испаряемое веще­

ство и воздействовать на скорость испарения н распределение плот­

- 17 -

ности потоков пара.

Обиая характеристика процесса. Испарительное осаждение - это процесс вакууиюго нанесения покрытия, при которой манду испари­ телем и подложкой создается, направленный поток пара. Поскольку генерация электронных пучков и их транспортировка также'должны производиться в вакууме, применение электронных пучков для испа­ рения материалов, вообще говоря, возможно без каких-либо дополни­ тельных затрат на вакуумные откачные устройства. Принцип элект­ ронно-лучевого испарения пояснен на рис. 2.1. В основных чертах установка для электронно-лучевого испарения состоит из технологи­ ческой камеры С системой откачки, тигля с испаряыым материалом, электронной пушки, заслонки для пара и подложки с приспособления­

вследствие прямой бомбардировки его поверхности электронным'пуч­ ком. При этом существенная доля кинетической энергий электронов пучка превращается в тепло и поверхность. нагревается до такой температуры, что становится источником пара. В этом потоке пара располагает подложку, на которую конденсируется часть Пара, т. е. производится напыление. Испарительное устройство дополняют средс­ твами измерения и контроля, которые особенно важны для управления параметрами пучка в процессе напыления.

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

теряют энергло, возбуждая и ионизируя пар.

Средняя длина свободного пробега частац газа между двумя столкновениями при давлении .10"* Па составляет около.500 мм. Для многих веществ приблизительно такова же средняя длина свободного пробега частиц пара в газе. Если при'названных параметрах подлож­ ка удалена от испарителя на расстояние,, например, 100 ш . то бо-

о

ния при повышении температуры приблизительно от 1100 до 1200 С упругость пара возрастает от I до 10 Па.

В соответствии с зависимостью упругости пара от температуры скорость испарения возрастает с температурой поверхности прибли-

При техническом решении задач вакуумного насенения покрытий требуются скорости испарения в пределах 1СГВ...10"2 г-см~*-с‘‘. Для обеспечения таких скоростей испарение приходится вести из жидкой (расплавленной) фазы. Испарение из твердого состояния» т. е. путем сублимации» проводят только в специальных случаях.

На скорость испарения существенно влияет наличие загрязнений, например, оксидов и карбидов. Плотность их меньше, чем плотность расплава; они всплывают на поверхность и частично покрывают ее, сникая тем самым скорость испарения. Это нежелательное явление отсутствует в тех случаях, когда загрязнения имеют высокое давле­ ние пара, когда они испытывают термическое разложение или когда пар способен диффундировать сквозь слой загрязнений. Высокие тем­ пературы поверхности, характерные для прямого нагрева, стимули­

При однотигельном испарении поток пара создается и конденсирует­ ся, имея тот состав, который требуется для покрытия. Вариантом однотигельного испарения является процесс, аналогичный фракцион­ ной возгонке, когда из тигля с большим количеством расплавленного вещества его испаряют покомпонентно, изменяя мощность подогрева по определенному графику. Для электронно-лучевого испарения более характерен вариант однотигельного испарения расплава, запас кото­ рого в тигле непрерывно пополняется подачей материала, имеющего тот же состав, который требуется для наносимого слоя.