電子束技術在材料加工中的應用

風中的思念 2024-10-16 箱包銷售 6 次瀏覽 0個評論

→電子束進入工件下粘貼的輔助材料，使其蒸發、產生噴射干涉、將空穴周圍的殘余的熔化材料吹出，形成小孔。

圖2電子束打孔過程示意圖

圖3電子束打孔的樣品放大圖

(a)生產玻璃纖維產品的噴絲頭（孔的正面） (b)由電子束鉆孔的燃燒室機匣冷卻孔

圖4典型電子束打孔零件

電子束焊接

電子束焊接是利用高速電子會聚形成的電子束流轟擊工件產生的熱能使被焊金屬融合的一種焊接方法。電子束焊具有焊縫熔深大、熔寬小、熔縫純度高的特點，多用于高質量要求的結構的焊接，即可焊接薄板，也可焊接大厚度結構，目前已在航空、航天、核、汽車、壓力容器以及工具制造等工業中得到廣泛的應用。

圖5西亞基電子束焊接系統

電子束焊的原理如圖6，高能的電子束流撞擊工件表面，電子動能轉變為熱能而使金屬熔化和蒸發，工件表面熔化金屬被金屬蒸汽反沖擊力排開而使電子束撞擊深處的固態金屬，從而在被焊工件上迅速鉆出一個小孔，小孔周圍被液態金屬包圍，隨著電子束與工件的相對移動，液態金屬沿小孔周圍流向熔池后部，并冷卻凝結成焊縫。圖7為電子束焊接與傳統焊接相比焊接效果的區別。圖8、9為電子束焊接的工業零部件。

圖6電子束深焊接效果示意圖

A－接頭局部熔化； B－“匙孔”形成；C－電子束穿透工件； D－焊縫凝固形成；

圖7傳統焊接與電子束焊接的區別

圖8電子束焊接的零部件

圖9航空工業中電子束焊接的部件

表面改性

電子束與金屬表層原子碰撞產生能量傳遞，所傳遞的能量立即以熱能的形式傳給金屬，從而使表層金屬溫度迅速升高，使表層成分和組織結構發生變化，達到表面改性的效果。電子束表面改性大致分為四類：電子束表面淬火、電子束表面重熔處理、電子束表面合金化處理和電子束表面非晶化處理。

電子束表面淬火可用于各種碳鋼及合金鋼。淬硬層深度隨設備功率增大而增加，隨掃描速度增大而減小。電子束高速轟擊工件表面后，使得金屬表層急速升溫，在極短時間內達到1000℃，使之達到奧氏體狀態，但工件表層以下未受到電子束轟擊的區域溫度未變，仍處于冷態。當電子束離開后，表層的熱量向冷態傳導而以很快的速度冷卻，完成工件表面的“自冷”淬火。在相變過程中，奧氏體化時間很短，故能獲得超細晶粒組織，這是電子束表面淬火最大特點。

圖10亞共晶鑄鐵(2.19% C)的鋼試樣電子束淬火及回火后堆焊層：

a,b,d,f－光學顯微鏡；c－掃描電鏡；e－透射電子顯微鏡

電子束表面重熔處理是利用電子束轟擊金屬表面，使表面產生局部熔化并快速凝固化，從而獲得細小晶粒組織，提高表面強度與韌性。此外，電子束重熔可使表層中各組成相得化學元素重新分布，降低元素的微觀偏析，改善工件的表面性能。

電子束表面合金化處理是電子束轟擊工件過程中，材料表面會發生熔化，若在熔池中添加合金元素即可進行電子束合金化。形成的合金層，主要用來提高表面的耐磨、耐蝕與耐熱性能。

圖11鋁合金的電子束重熔以及合金化處理

電子束表面非晶化處理與激光表面非晶化處理相似。由于電子束的能量密度很高，在電子束極短的轟擊時間內，金屬表層迅速熔化，造成熔化區與基體的溫度梯度很大。這樣，隨后的冷卻過程中，熔化區得到急冷，金屬液來不及結晶而形成非晶態。

電子束毛化

電子束毛化技術是英國焊接研究所（TWI）Bruce Dance等人近年來發明的一種新型電子束表面加工技術，它借助于電磁場對電子束進行復雜掃描控制而在金屬材料表面產生特殊的成形效果，是在復雜磁場控制下電子束使金屬快速熔化、流動、堆積和凝固的復雜冶金過程。電子束重復掃描過程中，熔池后端逐漸形成一定形狀和大小的“凸起”（毛刺），在熔池前端形成凹坑或者凸槽狀的“刻蝕”，毛刺的生產過程如圖。

圖12毛刺特征過程形成示意圖

圖13幾種典型的金屬毛化表面

金屬“毛化”特征各種各樣，如圖14，有高寬比尖峰，無毛刺孔，葉片通道、漩渦等。

圖14金屬各種“毛化”特征

圖15北京航空制造工程研究所實現的電子束毛化技術

英國焊接研究所正在研究將電子束“毛化”技術應用到金屬與復合材料的連接技術上，將這種技術稱為Comeld技術。該技術先通過電子束“毛化”在金屬表面上形成毛刺，預處理后將復合材料置于金屬上，通過加溫、加壓共同固化，即可得到這種金屬和復材連接的Comeld接頭，如圖14所示。

圖16用于金屬/復合材料連接的Comeld接頭

根據TWI的研究，這種Comeld接頭比傳統的同尺寸接頭能承受更高的載荷，斷裂前吸收的能量也遠高于后者，而且可以通過優化毛刺的結構及分布形式提高這種接頭的韌性。此項技術在未來飛機金屬與復合材料連接領域有著重要的應用。

另外，電子束“毛化”技術還可以用在金屬材料的表面改性如涂層制備上，如圖17所示。這種表面處理技術在促進基質與涂層的粘合方面具有非常廣闊的應用前景。它可以通過增加表面粗糙度來增加涂層附著力，避免分層。毛刺的形狀與尺寸可以影響涂層的微觀組織，甚至可以改變涂層表面上的裂紋生長機理。同時，凹入特征改善了同鄰接部件的機械互鎖，而突出特征有助于關節界面均勻分布應力。該技術的靈活性還可應用于定制特殊表面，例如，將突起特征排列在最大應力的方向，或者改變結構特征的密度使部件上應力均勻分布。由于該工藝在真空下完成，生成的表面非常潔凈，有助于連接應用。

（a）電子束“毛化”鈦合金表面（b）噴涂涂層后的表面

（c）鈦表面的熱噴涂氧化鋁涂層橫截面

圖17電子束毛化技術在涂層制備上的應用

電子束成形

電子束成形是一種集成了計算機、數控、電子束和新材料等技術而發展起來的先進制造技術。電子束在計算機的控制下按零件截面輪廓的信息有選擇地熔化金屬材料（粉末或絲材），并通過層層堆積，最終實現致密金屬零件的近凈成形直接制造。

電子束成形技術可分為兩類：一類是基于鋪放粉末的電子束熔化快速成形技術EBM（Electron Beam Melting）,另一類是基于送進絲材的電子束自由成形制造技術EBF3（Electron Beam Freeform Fabrication），或稱之為電子束實體自由制造技術EBSFF（Electron Beam Solid FreeformFabrication）。

EBM技術創新于90年代初期的瑞典，適合小型復雜結構的精密無余量成形，具有很高的精度和成形質量，已被廣泛用于航空、航天、汽車、醫療等行業。圖18即為EBM成型件。

圖18 EBM成型件

EBM技術可用于航空發動機或導彈用小型發動機多聯葉片、整體葉盤、機匣、增壓渦輪、散熱器、飛行器筋板結構、只做、吊耳、框梁、起落架結構的制造，因為這些結構復雜，用傳統機械加工費時費料，加工難度較大，但通過EBM技術，能夠在短時間內獲得性能滿足要求的近凈成形結構，經過少量的表面處理即可投入使用。

（a）霍尼韋爾htf7000渦扇發動機的設計管（b）火箭噴嘴

（c）推進器（d）葉片

圖19 EBM技術在航空領域的典型應用

基于熔絲的沉積的電子束快速沉積原理見圖20，計算機把零件的三維CAD模型進行分層處理，獲得各層截面的二維輪廓信息并生成加工路徑，在真空環境中，高能量密度的電子束轟擊金屬表面形成熔池，送絲裝置將金屬絲材送入熔池并熔化，同時熔池按照預先規劃的路徑運動，金屬凝固，逐線、逐層堆積，形成致密的冶金組合，制造出金屬零件或毛坯。