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

рабочий объем в газообразном состоянии, образуется химическое со­ единение. Реакционное напыление применялось ранее для получения оксидов испарением металлов или низших оксидов. В настоящее время оно наиболее часто используется при получении покрытий и из дру­ гих соединений, в первую очередь из карбидов и нитридов.

Другая возможность получения покрытий из соединений заключа­ ется в испарении, например, двух компонентов, которые реагируют друг с другом при совместной конденсации на подложке в требуемом соотношении. Один из вариантов этого способа заключается в том, что компоненты конденсируются в нужной пропорции, а химическое соединение образуется при завершающей термообработке. Так. напри­ мер, получают покрытия из карбида титана.

Проюшленное применение электронно-лучевого испарения, благо­ даря его преимуществам, существенно'потеснило традиционные спосо­

-22-

ба испарения и, кроме того, открыло новые возможности.

При внедрении электронно-лучевого испарения во многие отрасли электроники Снапример, в технологию тонких пленок, полупроводни­ ковых и оптоэлектронных приборов, устройств памяти) и в производ­ стве обычных элементов электроники (пленочных конденсаторов, ре­ зисторов, разъемов) к устройствам электронно-лучевого испарения стали предъявляться самые разнообразные требования. Основным из них является требование высокой чистоты слоя, которое достигается при испарении из водоохлаждаемых тиглей.

Возможность испарения с помощью электронно-лучевого нагрева различные оксидов ( двуокиси кремния, окиси алюминия, стекла) ис­

достигается высокая удельная поверхностная мощность на ванне рас­ плава.

Высокие скорости испарения, реализуемые в электронно-лучевом испарителе, позволяют покрывать большие поверхности слоями толщи­ ной 10 ыкм и выше. Примером использования этого может служить на­ несение антикоррозийных покрытий на стальную ленту.

Попытки экономически эффективного нанесения слоев большой толщины и слоев с особыми свойствами, как, например, с заданными показателями твердости или износостойкости, пока еще не вышли за рамки эксперимента.' В будущем они могут вылиться в производство изделий и полуфабрикатов с покрытиями, полученными способами электронно-лучевого напыления, в таких отраслях, как инструмен­ тальная промышленность, общее и энергетическое машиностроение.

Для того чтобы иметь возможность решать разнообразные задачи техники нанесения покрытий достаточно эффективно и экономично, разработан ряд установок стандартных и специальных типов. Для ма­ логабаритных подложек основные концепции установки определяются вопросами вакуумной техники, и здесь применяют установки стандар­ тных типов, встраивая их в производственный агрегат в соответст­ вии с решаемой задачей. Если же для концепции установки определи-

- 23 -

ющими являются особенности решаемой технологической задачи, нал* ример, размеры и форма подложки, то приходится конструировать специальные установки. Примерами таких установок являются агрега­ ты для нанесения покрытий на стальную ленту, на листовое стекло или для изготовления фольги.

2.2.Электронно-лучевая плавка металлов

Свойства металлов определяются как их составом, так и содер­ жанием в них газов и примесей. Для рафинирования металлов часто применяют их переплав. Материалы высокой чистоты можно получать путем переплава в вакууме с помощью электронного пучка.

Кроме того, 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.

Возможность управлять мощностью пучка в пространстве и време­ ни позволяет осуществить ряд вариантов процесса, которые трудно или невозможно провести другими методами вакуумной металлургии.

Электронно-лучевая плавка обеспечивает очень глубокое рафини­ рование металла, так как осуществляется при низком рабочем давле­ нии в технологической камере. Кроме того, в отличие от дуговой вакуумной плавки, можно устанавливать скорость плавки и подводи­ мую электрическую мощность независимо друг от друга, тем самым варьируя температуру материала и время его пребывания в расплав­ ленном состоянии. Таким образом, областью применения электронно­ лучевого переплава является производство особо чистых сталей и выплавка слитков и фасонных отливок из химически активных и туго плавких металлов.

Процесс плавки изображен на рис. 2.2, где показано взаимное расположение электронной пушки, переплавляемой заготовки и крис­ таллизатора. Часть мощности пучка расходуется для нагрева переп­ лавляемого металла на торце заготовки до температуры плавления. Расплавляясь, материал в виде капель перетекает в ванну расплава в кристаллизаторе. Скорость плавки пропорциональна мощности пуч-

- 25 -

ка, приходящейся на расплавляемую заготовку. Другая часть мощнос­ ти пучка подводится в кристаллизатор. Она должна быть достаточной для того, чтобы материал в ванне находился в расплавленном состо­ янии вплоть до стенки кристаллизатора. Это дает возможность полу­ чать слитки с гладкой боковой поверхностью. Если кроме формирова­ ния такого слитка требуется проводить еще и рафинирование распла­ ва. то мощность, подводимую в кристаллизатор, следует увеличить.

Чтобы зеркало жидкой ванны в кристаллизаторе находилось при плавке на одном и том же уровне, слиток непрерывно вытягивают вниз. Вакуум, потребный в плавильной камере, определяется необхо­ димостью транспортировать пучок от пушки до кристаллизатора в ка­ мере с минимальными потерями и конкретной металлургической зада­ чей.

Вследствие сложности процесса плавки, как правило, необходим визуальный контроль за всем ее ходом.

Электронно-лучевая плавка может сочетаться с литьем. Для это­ го необходимым элементом является литейный тигелье, в котором ма­ териал расплавляют и поддерживают жидким в достаточном количест­ ве. .Литейный тигель может быть футерованным или медным водоохлаж­ даемым. Керамическая футеровка тиглей и изложниц допустима только тогда, когда реакции материала футеровки с расплавом не происхо­ дят или когда они не наносят вреда качеству продукта.

Исходный материал можно подавать в литейный тигель в виде ку­ сков или гранул; в этом случае тигель играет роль плавильного. Если.же материал заливают в тигель жидким или он попадает в него каплями с расплавляемой заготовки, то тигель служит только для рафинирования. При непрерывном выпуске металла из литейного тигля можно получать слитки,' аналогичные тем, которые получают при ка­ пельном .переплаве. При фасонном литье химически высокоактивных и тугоплавких металлов применяют периодическую разливку. Примером специального применения, непрерывного литья может служить произ­ водство фольги, при которой струя расплава направляется на охлаж­ даемые прокатные валки.

Если рассмотреть баланс мощности при электронно-лучевом пере­ плаве, пренебрегая потерями мощности на заготовке, то вся мощ­ ность, подведенная электронным пучком, Рв складывается из мощнос­ ти на нагрев и расплавление материала ?л, мощности на перегрев

- 26 -

ванны жидкого металла в кристаллизаторе Рки на мощность Pw , от­

веденную от. ванны:

р.■р.+рк♦р»•

Первые два слагаемых пропорциональны скорости плавки, т. е. массе, переплавляемой в единицу времени. При равных требованиях к глубине рафинирования скорость плавки выбирают пропорциональной площади зеркала ванны.

Мощность Pw, помимо физических свойств расплава, зависит от площади зеркала ванны и боковой поверхности слитка в зоне касания его стенки кристаллизатора.

Важной характеристикой процесса электронно-лучевого переплава является термический КПД процесса, определяемый следующим выраже­ нием:

7) = —р. • 100*/. .

Значения термического КПД для различных металлов, расположен­ ных в порядке возрастания температуры плавления, приведены в табл. 2.1..

Видно, что с увеличением температуры плавления КПД резко сни­ жается. Это объясняется ростом потерь в общей подведенной мощнос­ ти с возрастанием температуры переплава.

Следовательно, для того, чтобы обеспечить течение самого про­

- 27 -

тепловой КПД, тугоплавкие металлы все таки подвергают переплаву в электронно-лучевых установках, то единственно потому, что другие способы не могут обеспечить такого хе качества слитков.

Управление распределением мощности электронного пучка чаще всего осуществляют путем раэвертки электронного пучка по какойлибо траектории.

При мощности электронного пучка от 60 до 1200 кВт диаметр пятна пучка на переплавляемой заготовке и на поверхности ванны расплава находится в пределах 20. ..150 мм. Как правило, он меньше размера поверхности заготовки и зеркала ванны. Поэтому для достижения нужного распределения мощности пучка между заготовкой и ванной необходима программная развертка пучка.

Программное управление распределением мощности чаще всего ба­ зируется на использовании круговой иля эллиптической развертки пучка. При круговой развертке пятно пучка все время перемещается вблизи края кристаллизатора, так что материал остается в жидком состоянии почти до стенки кристаллизатора.

Принцип этот, однако, применим только при малых скоростях плавки. Если требуется увеличить скорость плавки и, следователь­ но, долю мощности, подводимой к переплавляемой заготовке, то ис­ пользуют эллиптическую развертку. Подбором полуосей эллипса, опи­ сываемого пятном пучка, можно изменять скорости перемещения пятна вблизи вершин эллипса и тем самым - соотношение мощностей, отда­ ваемых пучком на этих участках. Вблизи вершин, лежащих на большой оси, движение пятна замедляется по сравнению с движением вблизи вершин, лежащих на малой оси. Это и используют для того, чтобы мощности, приходящиеся на переплавляемую заготовку и на крнсталлэатор, были различными. Зону переплава заготовки располагают у вершины эллипса, принадлежащей его большой оси.

Если поперечное сечение переплавляемой заготовки мало по сравнению с поверхностью ванны расплава, то для обеспечения тре­ буемой высокой скорости плавки эллиптической раэвертки пучка ока­ зывается недостаточно. В таких случаях прибегают к программам раэвертки с распределением мощности по площади объекта. Комбини­ руя две такие программы, у которых амплитуды отклонения пучка и время его воздействия управляются по отдельности, можно реализо­ вать требуемое распределение мощности между переплавляемой заго­ товкой и ванной.

28 -

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

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

Электронно-лучевая плавка занимает прочные позиции в произ­ водстве слитков из ниобия я тантала. В металлургии титана и дру­ гих высокоактивных и тугоплавких металлов, а такие кремния, повышаетсязначещие электронно-лучевой плавки как способа переработки возвратных отходов производства. В электронно-лучевых плавильных печах во все возрастающих масштабах Получают титановое фасонное литье.

Расширение промышленного применения электронно-лучевого пере­ плава стали происходит замедленно из-за развития конкурирующих с электронно-лучевым способов. Перспективна здесь выплавка крупных (массой более-10 т) слитков при высоких требованиях к равномерно­ сти свойств стали по поперечному сечению слитка. Для решения этой задачи требуются электронно-лучевые плавильные установки мощнос­ тью от 5 до 10 МВт.

2.3.Электронно-лучевая сварка

При электронно-лучевой сварке кинетическая энергия элект­ ронов пучка используется для того, чтобы расплавить жестко ог­ раниченные участки примыкающих друг к другу деталей с тем, чтобы расплав, застывая, соединил детали. Положительной стороной элект­ ронно-лучевого способа сварки является возможность создания от­ носительно высокой удельной поверхностной мощности в пятне пуч­ ка при достаточно высоких значениях мощности всего пучка. В силу этого при электронно-лучевой сварке прогрев зон'деталей, примыка­ ющих к расплаву, меньше, чем при других способах сварки плавлени­ ем. Ввиду того, что процесс электронно-лучевой сварки ведется в вакууме, этим способом можно сваривать.детали из химически актив­ ных металлов.

Свойства электронного пучка открывают возможность сварки ту­

- 29 -

гоплавких материалов и таких комбинаций материалов и деталей, ко­ торые не поддаются сварке другими способами.

Электронно-лучевая сварка позволяет получать сварные соедине­ ния с отношением глубины шва к его ширине, намного большим еди­ ницы, чего невозможно добиться другими способами сварки плавлени­ ем.

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 пу­ чок более остро, то в обрабатываемом материале образуется паровая полость - канал проплавления. Этот эффект называют эффектом*глубокого (кинжального) проплавления.

Рассмотрим, как формируется канал проплавления в металле. При воздействии концентрированного электронного пучка на материал электроны проникают в металл на глубину, определяемую по уравненению Шонланда

tfefcО к Jр£.,

где 6 - глубина проникновения электронов в вещество; к - постоян­

Зона максимального поглощения энергии располагается под по­ верхностью материала, что обеспечивает перегрев этой зоны, кото­ рый не компенсируется отводом тепла теплопроводностью. В области перегрева возникает высокое давление паров металла .и при большой концентрации мощности пучка происходит выброс перегретого метал­ ла. Эти процессы приводят к формированию в сварочной ванне канала проплавления практически на всю ее глубину ( рис. 2. 3).

При электронно-лучевой сварке не вся подводимая с электронным пучком энергия непосредственно используется, для процесса сварки. Существенные потери ее обусловлены отражением электронов.

На конфигурацию сварного шва существенно влияет фокусировка электронного пучка. Если фокус расположен над поверхностью дета­ ли, то пучок называют перефокусированным, а если фокус расположен под ней, - недофокусированным Срис. 2.4). Положение фокуса влияет

- 30 -

Канал проплабления Скорость сборки

эл.пучок

[барочная

банна

Ри с . 2.3. Канал проплавления, образуемый в металле при электронно-лучевой сварке

поверхность металла

7^777777777777777777

металла

Ри с . 2.4. Фокусировка электронного пучка при электронно-лучевой сварке