Электронно-лучевая обработка

1 Содержание  способа электронно-лучевой обработки

     1.1 Развитие электронно-лучевой технологии

     Выделение электронно-лучевой технологии в  самостоятельную отрасль научно-технических знаний тесно связано с успехами вакуумной техники и электронной оптики.

     Первые  попытки электронно-лучевой плавки были предприняты в 1905 г. Пирани. Ему удалось плавить даже такие тугоплавкие металлы, как тантал. Но ни вакуумная, ни электронная техника в то время еще не получили должного развития, и с другой стороны, еще не возникла потребность в подобной технологии. Поэтому работы Пирани тогда не нашли технической реализации. В последующие годы не было недостатка в попытках использовать электронные пучки, в лабораторных условиях для решения различных задач.

     С середины 20-х годов начинается бурное развитие электронной оптики. Вместе с прогрессом вакуумной техники это создало возможность надежного получения и формирования электронных пучков. Фон Арденне и Рюле уже в 1934 г. использовали электронные пучки, сфокусированные магнитными линзами, для получения отверстий малого диаметра и для испарения металлов. Однако и в это время потребности в широком техническом применении этих способов еще не было. Кроме того, еще не были созданы достаточно мощные вакуумные системы.

     В 1950 г. Штейгервальд показал технологические возможности электронного пучка как инструмента для получения отверстий и прецизионной обработки поверхностей. Необходимость же использования нового технологического способа для таких целей, как сварка, плавка и напыление, появилась прежде всего в связи с развитием ядерной и космической техники. Эти новые отрасли нуждались, помимо всего прочего, в новых материалах, обрабатывать которые существовавшими тогда способами было либо невозможно, либо возможно, но с весьма неудовлетворительными результатами. Это и послужило в середине 50-х годов стимулом к использованию электронных пучков для технологических целей. Характерным примером тому служат работы Стора в области технического применения электроннолучевой сварки.

     С 1957 по 1960 г. в различных странах разрабатываются методы и оборудование для электронно-лучевой плавки. Важной предпосылкой для этого явилось создание к этому времени высокопроизводительных вакуумных систем.

     В последующие годы в промышленность во все возрастающей степени внедрялись методы электронно-лучевого испарения для решения различных задач по нанесению покрытий.

     Приблизительно  к 1965 г. способы и установки электронно-лучевой технологии достигают такой степени технического совершенства, что электронно-лучевую плавку, сварку, напыление и обработку поверхностей можно считать внедренными в промышленность.

     В последние годы масштабы этого внедрения  возросли. Кроме того, освоены и другие области применения, например; нетермическая электронно-лучевая обработка микроструктур и химическая электронно-лучевая обработка синтетических материалов и покрытий в промышленных масштабах. В настоящее время ведутся работы по промышленному освоению ряда других процессов.

     Период  с 1965 по 1975 г. характерен еще и возрастающим использованием такого достоинства электронно-лучевых установок, как легкость автоматизации. Установки все чаще вводятся в состав поточных линий. Появляются новые поколения установок.

     Процессы  и установки электронно-лучевой  технологии служат объектом многочисленных и разносторонних исследований и разработок. В ее достижения существенный вклад внесли научные институты РФ, США, ГДР, ФРГ, Франции, Англии, Японии. Помимо тысяч научно-исследовательских публикаций появилось немало обширных трудов по отдельным вопросам электроннолучевой технологии.  

     1.2 Основные понятия и определения.

     Электронно-лучевой  обработкой называют группу способов микрообработки поверхности материалов, при которых в технологических целях используются термическое или нетермическое воздействия электронного пучка на материал. При термической обработке в результате плавления и испарения происходит унос материала из зоны действия пучка и термические превращения материала. При нетермической обработке используются химические или физические превращения материала при воздействии на него электронного пучка. В обоих случаях цель обработки заключается в изменении формы и конфигурации структуры заготовки; эта цель достигается соответствующим управлением воздействием пучка на заготовку в пространстве и во времени. Разнообразие требований к параметрам пучков, предъявляемых различными технологиями обработки, привело к формированию трех относительно самостоятельных направлений, отличающихся друг от друга как по характеру процессов, так и по концепциям, положенным в основу конструкций установок:

1. термическая размерная обработка компактных тел;
2. термическая размерная обработка тонких слоев;
3. нетермическая обработка.

     Кинетическую  энергию электронов пучка, превращающуюся при встрече пучка с компактным телом в тепло, можно использовать для изменения химического состава или структуры материала в бомбардируемой  зоне, обусловленных термическими процессами. Окрестности зоны обработки, по крайней мере, вне некоторого заданного района вокруг этой зоны, необходимо защитить от недопустимых тепловых нагрузок. Границы допустимой тепловой нагрузки могут определяться, например, остаточными собственными механическими напряжениями в материале или нежелательными химическими или структурными превращениями в нем.

     Непосредственной  целью обработки может явиться, например, получение отверстий заданного  диаметра или пазов заданной ширины, глубины и с заданным профилем сечения.

     Под обработкой компактных тел понимают такие разновидности обработки, при которых глубина обработки Т превышает глубину проникновения S электронов пучка в данный материал.

     Рассмотрим  более подробно процесс поглощения энергии в обрабатываемом материале. При этом удобнее всего считать, что пучок имеет наиболее важную для практики осесимметричную форму, а удельная поверхностная мощность распределена в его поперечном сечении по Гауссу:

      p_F(r)=p_F0e^-(2r/dF)2=U_bi_F0e^-(2r/dF)2 

     Рис. 1.1 Пространственное распределение  относительной плотности поглощаемой  мощности Pa/Pa max в зависимости от относительных координат (2r/d_F, z/S) для случая d_P»iS. 

    В заготовке на глубине проникновения электронов S из мощности пучка Р₀ в тепловую преобразуется доля nP₀, где n<1. Значение n в основном определяется отражением электронов. Распределение источников тепла в заготовке нетрудно рассчитать для случая d_F>S и воздействия пучка на плоскую поверхность. На рисунке 1.1 представлено семейство кривых равных относительных удельных поглощаемых мощностей. Из рассмотрения этого графика можно сделать следующие выводы:

1. Максимум удельной поглощаемой мощности находится на оси пучка под поверхностью детали на глубине, равной 1/3 глубины проникновения, и приблизительно вдвое превышает удельную поглощаемую мощность на поверхности заготовки.

     2.Для относительных поверхностных мощностей, превышающих 0,52р_{А мах}, поверхности равных значений являются замкнутыми сферами, целиком расположенными под поверхностью заготовки последней достигают только области, в которых относительные удельные  поглощаемые мощности меньше 0,52р_{А мах}.

     3. С удалением от точки, в которой имеет место максимум, удельная поглощаемая мощность монотонно уменьшается, стремясь к нулю.

     4. Вследствие того, что S~U²_В, максимальная удельная поглощаемая мощность пропорциональна отношению i_F0/Uв, т. е. при одинаковой плотности тока и увеличении ускоряющего напряжения падает, несмотря на то, что удельная поглощаемая мощность p_F0 при этом растет.

     Хотя  переносить приведенные рассуждения  количественно на случаи с d_F~S, когда на распределение удельной поглощаемой мощности влияет рассеяние электронов, нельзя, качественная сторона рассуждения и здесь остается в силе. Наиболее важное следствие уменьшения отношения d_F/S состоит в снижении р_А таx и «растягивании» областей равных поглощаемых мощностей в радиальных направлениях.

      Формы кривых равных удельных поглощаемых мощностей, приведенных на рис. 2 искривляются также в случае, если ось пучка наклонена в рабочей зоне к поверхности заготовки" не под прямым углом. Эта ситуация в той или иной мере возникает для  

Рис. 2. Влияние  удельной поверхностной мощности на поверхности обрабатываемого изделия на ход размерной термической обработки с уносом материала. 

периферийной части пучка, когда при выполнении, например, отверстий глубина канала, из которого удален материал, достигает больших значений. При этом если пучок в достаточной мере сохраняет параллельность траекторий электронов, его «ядро» с высокой удельной поглощаемой мощностью все время находится на дне канала, а у стенок канала удельная поглощаемая мощность падает до весьма малых значений. Рассчитать пространственное распределение удельной поглощаемой мощности здесь затруднительно, так как удельная мощность, поступающая на поверхность, испытывает сильное воздействие динамики процессов уноса материала, которые не поддаются полному учету. Влияние наиболее существенных факторов пояснено на рис. 2. При отношениях глубины канала к его диаметру, равных 3—5 и более, доля мощности практически достигает единицы. С возрастанием апертуры пучка и расстояния между его фокусом и дном канала основное поглощение мощности все более перемещается на стенки канала (б). Значительная часть периферийных электронов, попадая на стенку канала под очень небольшими углами к ее поверхности, отражается от нее и вносит свой вклад в энергию, поглощаемую дном канала (в). Пар, образующийся в канале при обработке, может существенно увеличить рассеяние электронного пучка и тем самым снизить удельную поверхностную мощность пучка у дна канала, что повышает энергетическую нагрузку на его стенки (г). Положительные ионы, образовавшиеся в результате взаимодействия пучка с паром, компенсируют, а иногда и перекомпенсируют пространственный заряд пучка. Это может, по крайней мере при очень малой апертуре пучка, оказывать на пучок фокусирующее воздействие (д). Дополнительное рассеяние и поглощение энергии пучка могут вызывать также брызги материала в канале (е). 

     1.3 Эффекты обработки

     Возможные эффекты размерной обработки  зависят от поведения материала  при повышении его температуры, В табл. 1 приведены наиболее существенные из полезных тепловых эффектов, вытекающих из них технологические следствия и примеры материалов, пригодных для достижения этих эффектов.

     Если  при фазовых превращениях вещество остается твердым, то область превращений  ограничивается поверхностью, внутри которой подводимая энергия имеет плотность, как раз достаточную для нагрева материала до температуры превращения и сообщения ему скрытой теплоты превращения. Материал при этом не уносится, Обработанные участки отличаются от необработанных, например тем, что обладают иными механическими свойствами — твердостью и т. п.

     Сублимирующие материалы или материалы, разлагающиеся из твердого состояния на летучие компоненты; можно целенаправленно удалять, прямо переводя их из твердого состояния в газообразное. Геометрия рельефа  (структуры), получаемого в  результате обработки, здесь также определяется контурами тех поверхностей равных плотностей преобразуемой энергии, внутри которых эта энергия по крайней мере достаточна для достижения температуры сублимации или разложения и для покрытия энергетических затрат на эти процессы. 
Аналогично обстоит дело и тогда, когда материал разлагается на твердые продукты, с той, однако, разницей, 
что продукты остаются в зоне обработки, и в дальнейшем их необходимо еще удалить оттуда.

     Эффект  плавления с точки зрения технологии можно использовать для микросварки и для получения сплавов. При этом можно добиться того, чтобы расплавленные участки монокристаллического материала, застывая,  образовывали  снова монокристаллическую структуру с той же ориентацией, что и первоначальная. Иной технологический эффект получается, когда материал, расплавленный в месте обработки, при затвердевании приобретает состав или структуру, существенно отличные от исходных. Так, если заготовку из керамики, например из окиси алюминия, локально расплавить с поверхности на участке, имеющем вид линии, то расплав, затвердев, образует стекловидную массу. Поскольку она механически весьма слабо связана с коренным материалом, таким путем можно эффективно уменьшать поперечное сечение заготовки для того, чтобы затем соответствующим приложением к ней механического усилия разламывать ее по линии ослабленного сечения.

     Если  плавящийся материал удается нагреть  электронной бомбардировкой достаточно быстро и с достаточно большим перегревом над температурой плавления, то испарение материала начинается раньше всего в области максимального поглощения энергии, расположенной под поверхностью заготовки. Из-за высокой скорости нагрева и, по-видимому, связанного с ней вскипания испарение происходит практически мгновенно и сопровождается настолько резким подъемом давления, что происходит взрывообразный выброс из зоны обработки скопившихся под поверхностью паров материала вместе с окружающим расплавом. Ясно, что очертания получающейся при этом геометрической структуры  определяются   границей   расплавившегося объема. При обработке стекла процесс вытеснения материала из области максимальной температуры можно наблюдать непосредственно. При соответственно подобранных параметрах обработки вытеснение размягченного стекла приводит к вспучиванию поверхности до того, как начинается его унос.