Установки электронно-лучевого нагрева.
1. УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО НАГРЕВА
1.1. Теоретические основы электронно-лучевого нагрева
Электронно-лучевой нагрев (ЭЛН) широко применяется при обработке тугоплавких и химически активных металлов, сварке, испарении металлов и оксидов, выращивании монокристаллов, металлизации и напылении и т. д.
К основным преимуществам электронно-лучевого нагрева можно отнести: возможность в широких пределах плавно изменять удельную энергию в зоне нагрева; большую удельную мощность в месте взаимодействия электронного луча с обрабатываемым изделием или материалом; возможность с помощью магнитной системы управлять пространственным положением луча; возможность использования вакуума как рабочей среды; возможность получения малоразмерной (прецизионной) зоны воздействия электронного луча на обрабатываемый материал.
Главными недостатками данного вида нагрева считаются наличие высокого вакуума, сложность изготовления, эксплуатации и высокая стоимость электронно-лучевого оборудования.
Электронный луч, используемый в качестве нагревательной установки, представляет собой направленный поток электронов, переносящих свою энергию от излучателя к изделию. Ускоренные электроны, получившие кинетическую энергию, пропорционально их скорости передают ее веществу обрабатываемой поверхности. Ввиду того что электроны отдают свою энергию при столкновении с молекулами и атомами вещества, в рабочей камере должен поддерживаться глубокий вакуум, который необходим и для защиты катода от бомбардировки положительными ионами.
Испускаемые катодом электроны получают ускорение в электрическом поле и формируются электромагнитными полями в электронный пучок или луч.
Сформированный пучок электронов проходит через рабочую камеру и попадает на поверхность обрабатываемого объекта.
Глубина проникновения электронов и протяженность зоны интенсивного выделения тепловой энергии составляет около 10-6 м и для твердых тел нагрев является поверхностным. Мощность рентгеновского излучения в энергетическом балансе электронно-лучевой установки очень мала, однако его биологическое воздействие для человека является опасным. Поэтому при разработке и изготовлении ЭЛУ необходимо предусмотреть мероприятия по защите обслуживающего персонала от рентгеновского излучения.
Представляют научный интерес явления, связанные со вторичной эмиссией электронов с бомбардируемой электронным лучом поверхности металла. Так, например, перегретая (на 200-1 000 К) выше температуры плавления поверхность ванны расплавленного металла является мощным источником термоэлектронной эмиссии.
Хотя мощность термоэлектронной эмиссии мала, ее ток, поглощаемый стенками камеры, может достигать десятков и сотен ампер. Поэтому заземление электронно-лучевой установки должно быть надежным. Определенная часть электронов луча отражается от поверхности металла и поглощается стенками камеры, что приводит к существенным потерям мощности электронного луча (для легких металлов - 5-10 %, для тяжелых - 15-25 %) и значительно снижает энергетический баланс установки.
В рабочей камере электронно-лучевой установки протекают сложные процессы взаимообмена электронов луча с атомами остаточных и выделяющихся во время плавки и нагрева газов, с атомами металлических паров, находящихся над расплавленным металлом, и т. п.
1.2. Конструктивные особенности электронно-лучевых установок
Все конструкции электронно-лучевых установок имеют набор систем, которые сходны по своему назначению и принципу действия. Их можно разделить на два комплекса - энергетический и электромеханический.
Энергетический комплекс состоит из электронной пушки с блоками питания и управления лучом. Электронной пушкой является устройство, котором пучок электронов под воздействием электрического и магнитного полей в луч, ускоряемый электрическим полем, выводится через анод и направляется на нагреваемое изделие или поверхность.
Одним из главных узлов электронной пушки является катод. Его изготовляют из тугоплавких металлов (W, Та, Мо), оксидов редкоземельных металлов (Zr, La). Катоды прямого нагрева применяются при небольших токах эмиссии (до 20 мА), катоды косвенного нагрева - при больших (до 200 мА). Заданная плотность электронного луча находится путем подбора конфигурации катодного электрода и анода, так как после прохождения анода электроны движутся в пространстве вне электрического поля. Ввиду того что электронный луч обладает объемным пространственным зарядом, в результате столкновения электронов нарушается фокусировка луча.
Поэтому после электростатической фокусировки луч дополнительно фокусируется электромагнитной линзой, которая представляет собой катушку в магнитопроводе, запитанную от выпрямителя, обеспечивающего устойчивое напряжение и небольшую пульсацию.
Электромеханический комплекс включает вакуумную рабочую камеру, систему позиционирования и перемещения заготовки, систему наблюдения за ходом процесса, систему защиты от рентгеновского излучения.
Вакуумная камера является базовым элементом электронно-лучевой установки, наиболее важным и сложным узлом электромеханического комплекса. Конструкция определяется видом технологического процесса. Камера должна быть герметичной и механически прочной. Материал, из которого она изготовлена, должен надежно поглощать рентгеновское излучение.
Главная функция вакуумной камеры — создание и поддержание в рабочем объеме и в электронной пушке необходимого вакуума.
Система позиционирования и перемещения заготовок определяется видом операции. Самым простым устройством, применяемым при электронно-лучевой плавке, можно считать устройство вытягивания слитка. Самые сложные системы бывают задействованы при размерной обработке: они обеспечивают 5—6 видов различных перемещений с очень высокой точностью — в 1—5 мкм.
Электронные плавильные установки.
Многочисленным семейством электронно-лучевых установок являются плавильные установки, предназначенные в основном для переплавки стали, молибдена, ниобия и других тугоплавких и химически активных металлов. Их мощность варьирует от 50 до 2 000 кВт.
Одна из простых схем электронной плавильной установки с кольцевым катодом и автоэлектронным нагревом, в которой анодом является сам расплавляемый металл, представлена на рис. 1.1. Катодом К служит нагретая до 2 500 К током вольфрамовая спираль. Анодом А является расплавляемый электрод и жидкометаллический слой в верхней части слитка, образующегося в кристаллизаторе. Катод окружает молибденовый экран Э, находящийся под тем же потенциалом. Покидающие катод электроны отталкиваются экраном и в виде кольцевого пучка направляются на электрод и в жидкометаллическую поверхность слитка. Нижняя часть электрода расплавляется под ударами бомбардирующих его электронов. Расплавленный металл каплями стекает в ванну.
Рис. 1.1. Схема электронно-лучевой установки с кольцевым катодом
Рис. 1.2. Схема электронно-лучевой установки с радиальными пушками
При изменении положения электрода будет изменяться и количество попадающих на него электронов. Если электрод приподнять так, что прекратится его плавление, тогда металл в ванне будет перегреваться или держаться при неизменной температуре.
Установки с кольцевым катодом работают на ускоряющем напряжении от 5 до 15 кВ. Главными их преимуществами являются простота конструкции и высокая проводимость: это позволяет получать в них большие токи пучка при малом напряжении. Их недостатком является нахождение катода в зоне камеры, поэтому при газовыделении с поверхности ванны он оказывается в зоне повышенного давления. Покинувшие катод электроны сталкиваются с атомами газов и ионизируют их. Образующиеся при этом положительные ионы направляются к катоду и адсорбируются на нем, что сильно снижает его эмиссионную способность и сокращает срок службы. По этой причине плавильные электронно-лучевые установки с кольцевым катодом имеют ограниченное применение для переплава металлов с незначительным выделением газа.
Электронно-лучевые установки с радиальными пушками (рис. 1.2) в большей мере лишены этого недостатка. В них вокруг электрода по радиусу установлено несколько катодов и анодов с отверстиями, через которые движущиеся электроны проходят к концу электрода и к ванне. В данной конструкции анод отделен от жидкого металла, хотя и тот и другой находятся под одинаковым потенциалом. Анод служит направляющим и формирующим устройством. В этом случае система «анод - катод» соответствует понятию электронной пушки.
Блок электронно-лучевой установки, в котором находятся электронные пушки, отделен от плавильной зоны перегородкой с отверстиями для электрода и пучка электронов. Верхняя и нижняя части камеры имеют обособленные системы откачки газов. При чрезмерном выделении газов из ванны некоторая часть паров металла попадает через отверстия в верхнюю камеру и удаляется из нее насосом. Радиальные пушки электронно-лучевой установки работают при низком ускоряющем напряжении (около 15 кВ), поэтому они имеют малую мощность. Один из путей повышения мощности всей электронно-лучевой установки - увеличение количества радиальных пушек.
В качестве плавильных установок наибольшее распространение получили электронно-лучевые установки с аксиальными пушками (рис. 1.3). В отличие от радиальной аксиальная пушка дает возможность получить сильно сфокусированный электронный луч. В ней заложено два катода. Основной катод К, изготовленный в виде массивной вольфрамовой пластины специальной формы, разогревается до 2 500 К электронной бомбардировкой от вспомогательного катода К1, который выполнен в виде вольфрамовой спирали, нагреваемой током. Между катодами прикладывается напряжение до 5,0 кВ. Вспомогательный катод подключен к отрицательному потенциалу по отношению к основному, и, следовательно, в данном случае катод является анодом для вспомогательного катода. Анод А имеет специальную форму для создания в зоне между ним и катодом такого электрического поля, которое смогло бы сфокусировать электронный пучок, полностью проходящий через отверстие анода. Минуя анод, электронный луч попадает в лучепровод Л, соединяющий катодную камеру с плавильной, в которой находится переплавляемый электрод 3. Его можно перемещать горизонтально, а также вводить под пучок или выводить из него. При этом часть электронов луча может проходить мимо электрода и попадать на поверхность ванны жидкого металла, находящейся в кристаллизаторе в нижней части камеры.
Лучепровод предназначен для защиты катодного узла от прорыва в него газов из плавильной камеры. Для этой цели в лучепроводе предусматривают откачивающий насос. Кроме этого имеются насосы для откачивания газов и паров из катодного узла и рабочей камеры. В луче- проводе производится дополнительная магнитная фокусировка потока с помощью магнитных линз М, поскольку, пройдя через лучепровод, электронный пучок расширяется.
Рис. 1.3. Схема электронно-лучевой установки с аксиальной пушкой
Электронно-лучевые установки с аксиальными пушками работают при ускоряющем напряжении до 40 кВ.
Электронные сварочные установки в отличие от плавильных работают с особо остросфокусированным лучом при ускоряющем напряжении от 70 до 100 кВ.
Электроснабжение электронно-лучевой установки.
Для работы электронно-лучевой установки применяются высоковольтные источники питания постоянного тока. Они включают повышающие трансформаторы и высоковольтные выпрямители.
Из всех конструкций электрических печей электронно-лучевые установки являются самым сложным комплексом электротехнического оборудования. В системах электроснабжения электронно-лучевых установок электрические цепи делят на основные и вспомогательные. Основными считают цепи накала катода, питания преобразователя постоянного тока, а также цепи питания, получения,
измерения и контроля вакуума; вспомогательными - цепи фокусировки, отклонения и развертки электронного луча. От работы системы питания электронно-лучевой установки и обеспечения вакуума зависит качество переплавляемого металла.
1.3. Применение электронно-лучевого нагрева
Технологические операции электронно-лучевой обработки можно подразделить на четыре группы: плавка (технологические операции плавки в вакууме, локального переплава), испарение (испарение в вакууме, размерная обработка электронным лучом), термообработка (без изменения агрегатного состояния вещества), сварка.
Параметры, определяющие размеры участка, обрабатываемого электронным лучом, определяются теплопроводностью и температурой плавления.
Плавка электронным лучом в вакууме целесообразна тогда, когда нужно получить сверхчистые металлы. Она имеет преимущества перед плавкой в вакуумных электрических печах других типов, так как позволяет производить рафинирование жидкого металла в кристаллизаторе после прекращения плавления электрода, а также осуществлять другие физико-химические процессы, которые при иных способах плавки не могут проходить полностью или не протекают вовсе. Переплавляемый материал может быть применен в любой форме (шихта, пруток, лом, спеченные штабики, губка).
Очень важное значение при электронно-лучевой плавке имеет вакуум:
1) в нем осуществляется интенсивный процесс дегазации, который значительно улучшает механические свойства металла, особенно пластичность. Многие сплавы на основе вольфрама, молибдена, ниобия и других химически активных металлов нашли широкое применение только благодаря тому, что их выплавляют в вакууме;
2) некоторые вредные примеси (нитриды, карбиды, оксиды) при нагреве в вакууме разлагаются, за счет этого осуществляется вакуумное рафинирование переплавляемого металла;
3) во время плавки металла в вакууме постоянно происходит удаление газообразных продуктов из зоны реакции, в результате чего равновесие химических реакций сдвигается вправо, т. е. резко активизируются раскислительные реакции. Этот процесс повышает качество выплавляемого в вакууме металла, существенно снижает в нем количество газов, и в первую очередь кислорода. Различные установки для электронно-лучевой плавки показаны на рис. 1.1—1.3.
Схемы электронно-лучевой установки для переплавки металла приведены на рис. 1.4—1.5. Переплавляемый металл в виде порошка, гранул или мелкого металлолома подается в установку, где он обрабатывается одной или несколькими пушками и доводится до нужной кондиции.
Рис. 1.4. Схема электронно-лучевой установки для переплавки порошка: 1 — электронная пушка;2 — переплавляемый порошок; 3 — электронный луч; 4 — переплавленный слиток; 5 — водоохлаждаемый кристаллизатор
Рис. 1.5. Схема электронно-лучевой установки для переплавки металлолома: 1 — электронные пушки; 2 — электронные лучи; 3 — переплавляемый металлолом; 4 — водоохлаждаемая форма
Рис. 1.6. Схема электронно-лучевой установки для выращивания монокристаллов: 1 — электронная пушка; 2 — затравка; 3 — монокристалл; 4 — электронный луч; 5 — расплав переплавляемого материала; 6 — переплавляемый материал; 7 — водоохлаждаемый тигель
Особенно эффективна электронно-лучевая плавка при выращивании монокристаллов (рис. 1.6), когда на затравку 2 наплавляется материал 5 из тигля 7 и вытягивается с определенной скоростью вертикально вверх с получением монокристалла 3.
Часто применяют электронно-лучевую плавку с последующей заливкой в вакууме литейных форм. На специальных электронно-лучевых установках для плавки в вакууме при давлении 104—107 Па получают слитки массой до 20 т.
Локальный переплав обрабатываемых поверхностей с использованием электронного луча позволяет получать большие скорости кристаллизации металла в зоне плавления. Формирующиеся при этом структуры существенно отличаются от структур, образующихся в обычных условиях: измельчается микроструктура, значительно повышаются пластичность, твердость и износостойкость.
Поверхностное оплавление металла называют «облагораживающим»: это позволяет при изготовлении важных конструкций с улучшенными показателями износостойкости применять недорогие исходные металлы и сплавы.
Испарение материалов при нагреве в вакууме электронным лучом широко применяют для получения тонких пленок. В отличие от других способов испарения металла, когда энергия подводится к испаряемой поверхности через стенку тигля или высокотемпературный нагревательный элемент, при электронно-лучевом испарении идет прямой нагрев поверхности испаряемого металла. Этот способ позволяет испарять материалы из водоохлаждаемых тиглей, что особенно важно при работе с химически активными и тугоплавкими металлами. При электроннолучевом испарении возможно управлять электронным пучком как в пространстве, так и во времени, регулируя при этом интенсивность ввода энергии в испаряемое вещество, влияя тем самым на скорость испарения.
Широко применяется электронно-лучевое испарение в микроэлектронике для нанесения нужных металлических покрытий на стальную ленту, для изготовления фольги строго определенного состава. Электронным лучом возможно испарение с последующим осаждением на подложку различных неметаллических материалов: диоксида кремния, оксида алюминия, различных видов стекла.
Принципиальная схема электронно-лучевой испарительной установки для нанесения покрытий представлена на рис. 1.7. 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, направляется отклоняющей системой 2 в сторону испаряемого вещества 8. В результате воздействия луча 3 на вещество оно испаряется, частицы пара поднимаются вверх и адсорбируются на поверхности подложки 4, образуя плотную пленку. Отклоняющая система магнитного поля дает возможность располагать электронную пушку 1 в любом месте.
Размерной обработкой заготовки электронным лучом получают в ней глухие или сквозные отверстия определенных размеров или заданный контур. Размерная обработка материала основана на том, что при большой удельной поверхностной мощности скорость испарения обрабатываемого материала и давление пара возрастают настолько, что весь жидкий металл с потоком пара выбрасывается из зоны обработки. Дозирование подводимой энергии достигается импульсным воздействием электронного луча на поверхность или его перемещением по ней с расчетной скоростью.
На практике выделяют три режима размерной электронно-лучевой обработки:
1) моноимпульсный режим - обработка ведется одиночным импульсом;
Рис. 1.7. Принципиальная схема электронно-лучевой испарительной установки: 1 — электронная пушка; 2 — отключающая система; 3 — траектория луча; 4 — подложка; 5 — бункер; 6 — вибратор; 7 — желоб; 8 — испаряемое вещество; 9 — тигель
2) многоимпульсный режим — отверстие получают воздействием на заданное место заготовки несколькими импульсами;
3) режим обработки с перемещением электронного луча по заготовке с расчетной скоростью.
Электронный луч широко применяется при размерной обработке твердых материалов — алмазов, кварца, керамики, кристаллов кремния и германия.
Одной из разновидностей размерной электронно-лучевой обработки является перфорация (получение мелких сквозных отверстий) различных материалов. Таким способом изготовляют металлические и керамические элементы фильтров, пористый материал для охлаждения камер сгорания и лопаток турбин.
Термообработка при помощи электронного луча заключается в локальном нагреве обрабатываемых участков детали для получения структурных превращений материала. Кроме этого она применяется для отжига материалов в вакууме.
Электронно-лучевая сварка — одно из наиболее распространенных применений электронного луча. Тонкий луч электронов, фокусируемый на стыке соединяемых деталей, нагревает их до плавления. Сварочный шов при электронно-лучевой сварке (ЭЛС) получается высокого качества. Количество энергии, необходимое для расплавления материала с применением электронного луча, гораздо меньше, чем при других видах нагрева в процессе сварки. Это объясняется высокой концентрацией энергии в фокусе электронного луча. При электронно-лучевой сварке благодаря высокой концентрации энергии в сварочной зоне сварочный шов имеет форму вытянутого клина с большим отношением длины зоны расплавления к ее ширине. Как правило, глубина проплавления электронным лучом больше ширины шва до 20 раз («кинжальное проплавление»).
Установки ЭЛС бывают двух типов: низковольтные с рабочим ускоряющим напряжением до 15-20 кВ и высоковольтные, работающие при ускоряющем напряжении 150-200 кВ. Их конструкции не имеют особых отличий от установок для выполнения других технологических операций. Но всё же есть некоторые конструктивные и схемные особенности. В состав электронно-лучевой сварки включают специальное сварочное оборудование: сварочную вакуумную камеру с вакуумной насосной системой, электронную пушку с высоковольтным источником постоянного тока.
Вакуумная камера обязательно снабжается вакуумными вводами для передачи разнонаправленных движений, подачи охлаждающей воды, подвода электроэнергии к катоду, магнитным линзам и т. д. В камерах имеются специальные люки для загрузки и выгрузки деталей, а также механизмы и устройства, обеспечивающие технологический процесс сварки. Снаружи ведется наблюдение по приборам для определения степени вакуума в отсеках камеры.
В настоящее время электронно-лучевая технология расширяет сферу своего промышленного использования.
Обработка тугоплавких и химически активных металлов и сплавов, их сварка, выращивание монокристаллов, металлизация и напыление, размерная обработка заготовок - всё это области применения электронно-лучевого нагрева.
Его преимуществами являются: возможность плавно изменять удельную энергию в зоне нагрева; концентрированно выделять большую удельную мощность электронного луча; управлять пространственным положением луча с помощью магнитной системы; использовать вакуум как рабочую среду и др.
Обнаруженные новые технологические возможности электроннолучевого нагрева обеспечили ему быстрое развитие. Однако установки электронно-лучевого нагрева не способны передавать лучистую энергию большой мощности на значительные расстояния. В таких случаях прибегают к помощи лазерной техники.