电子束直接金属成形技术

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1、电子束直接金属成形技术一、电子束技术发展及应用概况：电子束的发现至今已有一百多年的历史，“阴极射线”(cathode-ray)的名称出现甚至还在人们了解电子的性能之前。20世纪初的1907年，MarcelloVonPirani进一步发现了电子束作为高能量密度热源的可能性，他第一次用电子束作了熔化金属的试验，成功地熔炼了钽。高能量密度电子束加工时将电子束的动能在材料表面转换成热能，能量密度高达1006-9W/cm2，功率可达到100kW。由于能量与能量密度都非常高，电子束足以使任何材料迅速熔化或汽化。因此，电子束不仅可加工钨、钼、钽等难熔金属及其合金，还可对陶瓷、石英等

2、材料进行加工。此外，电子束的高能量密度使得它在生产过程中的加工效率也非常高。国内从20世纪60年代初起研究电子束焊接，随后开发了电子束熔炼等技术。80年代，电子束热处理研究与开发也迅速发展。但随着激光进入加工领域后，特别是在小功率激光加工方面，无论在应用范围或经济性能方面，比电子束加工有优势。但实际上，电子束加工的优点并没有完全得到展示。二、电子束加工的原理电子束加工的原理—在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高(106一109w／cm2)的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间(几分之一微秒)内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到

3、几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，气化的部分被真空系统抽走。电子束加工原理及设备组成图电子枪系统聚焦系统电子束工件抽真空系统电源及控制系统2.1电子束加工的特点：电子束加工的特点——(1)电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0.1um。所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。(2)电子束能量密度很高，属非接触式加工、可加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。(3)电子束的能量密度高，因而加工生产率很高。例如，每秒钟可在2.5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。(4)由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，

4、加工表面不氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。(5)电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵，生产应用有一定局限性。2.2电子束加工的应用：(1)高速打孔电子束打孔已在生产中实际应用，目前最小直径可达0.003mm左右。例如喷气发动机套上的冷却孔，机翼吸附屏的孔，不仅孔的密度可以连续变化，孔数达数百万个，而且有时还可改变孔径，最宜用电子束高速打孔，高速打孔可在工件运动中进行，例如在0.1mm厚的不锈钢上加工直径为0.2mm的孔，速度为每秒3000孔。(2)加工型孔及特殊表面电子束加工喷丝头异型孔截面。出丝口窄缝宽度0.03

5、-0.07mm，长度0.8mm，喷丝板厚度0.6mm。为使人造纤维具有光泽、松软有弹性、透气性好，喷丝头的异型孔都是特殊形状。电子束不仅可加工各种直的型孔和型面，而且也可加工弯孔和曲面。利用电子束在磁场中偏转的原理，使电子束在工件内部偏转。控制电子速度和磁场强度，即可控制曲率半径，加工出弯曲的孔。如果同时改变电子束和工件的相对位置，就可进行切割和开槽。(3)刻蚀在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，可利用电子束对陶瓷或半导体材料刻出许多微细沟槽和孔，如在硅片上刻出宽2.5um，深0.25um的细槽，在混合电路电阻的金属镀层上刻蚀出40um宽的线条。还可在加工过程中

6、对电阻值进行测量校准，这些都可用计算机自动控制完成。(4)焊接电子束焊接的特点——能量密度高，焊接速度快，焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小，一般不用焊条，焊接过程在真空中进行．因此，焊缝化学成分纯净，焊接接头的强度往往高于母材。电子束焊接的应用：电子束焊接可焊接难熔金屑如铌、钼等。也可焊接钛、锆、铀等化学性能活泼的金属。电子束焊接还能完成一般焊接方法所难以实现的异种金属焊接。如铜和不锈钢的焊接，钢和硬质台金的焊接，铬、镍和钼的焊接等。因电子束焊接对焊件的热影响小、变形小，可在工件精加工后进行焊接。又因它能实现异种金属焊接，所以就有可能将复杂的工件分成几个零件，这些零

7、件可单独地使用最合适的材料，采用合适的方法来加工制造，最后利用电子束焊接成一个完整的零部件，从而可以获得理想的技术性能和显著的经济效益。(5)热处理电子束热处理的加热速度和冷却速度都很高，在相变过程中，奥氏体化时间很短，只有几分之一秒乃至千分之一秒，奥氏体晶粒来不及长大，从而能获得一种超细晶粒组织，可使工件获得用常规热处理不能达到的硬度，硬化深度可达0.3一0.8mm。电子束热处理的特点——类似于激光热处理，但电子束的电热转换效率高，可达90％，而激光的转换效率只有7％一10％。因电子束热处理在真空中进行，可以防止材料的氧化；电子束设备的功率可以做得