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电子束抛光技术

据统计,在机械制造行业中,因零件断裂或变形而引起的失效不足行业的 20% ,绝大多数零件失效而更替是由于其表面失效造成的。 提高材料的表面性能,是延长零件使用寿命、合理配置性能、保障系统稳定性的关键。 而抛光处理是材料表面加工的关键工序,所以各工业发达国家都深入地开展了这方面的研究。 材料表面抛光主要目的是降低表面粗糙度,提高表面性能。
目前,对材料表面抛光的主要方法有机械抛光、电解抛光、化学机械抛光、化学抛光、激光抛光等。 机械抛光是目前工业生产中应用最广泛的加工方法,并将在很长一段时间内占据主导地位,但其速率较低,成本高,此外机械抛光产生的热量和振动会导致工件的加工硬化及内应力。 电解抛光可以增加工件表面抗腐蚀性且成本低廉,主要应用于原始表面粗糙度较低的金属制品,如反射镜、不锈钢餐具、装饰品等。 但电解抛光质量与电解液及电流电压的规范有关,需要经过大量实验获得,所以难以广泛应用。 化学机械抛光引起的冲击与振动会使工件受损。 激光抛光成本较高,难以大量投入实际生产。 电子束抛光技术是21 世纪出现的新型材料表面处理技术,它是用高能密的电子通过聚焦形成电子束轰击材料表面,而使其表层熔化或蒸发从而获得粗糙度较低、力学性能较好的加工技术。 传统抛光主要针对形状简单的平面进行,电子束抛光可以应用于曲面、轴承甚至孔的抛光中[1—2],是一种很有应用前景的新型材料表面加工技术。

电子束抛光的机理
高能电子束表面抛光是近年来发展起来的技术。在真空度为 1. 33 伊10 -2 ~ 1. 33 伊10 -4 Pa 的真空室中,电子束装置开机预热约半小时,灯丝加热到发射电子的温度,溢出的电子由电子枪的阴极发出,经阳极电压加速并通过聚焦线圈汇聚成电子束流,通过改变聚焦线圈和偏转线圈的参数可以控制束流的大小和通断,以适应不同功率的需要。 电子的速度会被提升到接近或达到光速的一半,电子将具有很高的动能。 电子束(功率密度为 106~ 109 W / cm2)再经过聚焦线圈和偏转线圈的作用,汇聚成更细的束流,束斑的直径可达到微米级。
当高能电子束撞击工件表面时,电子与金属表面发生碰撞而失去动能,电子的动能转化为熔化材料的热能,在很短的加工时间内材料近表面区域积累大量的热能,材料表面温度迅速升至工件熔点,表层材料中低熔点的杂质甚至直接气化而被去除,从而起到材料表面提纯的作用,而基体的温度基本保持在室温。由于液态金属的流动性,熔融金属会向曲率较低的方向流动,直至表层液态金属各处曲率趋于一致,其过程中可填充表层材料的机械加工痕迹和凹坑,从而达到自抛光的效果。 同时,因表层与基体之间巨大的温差使得表层的热量迅速向基体扩散,已加工区域的熔融部分会快速凝固,最终获得光滑平整的表面,从而达到抛光的效果。 加工中需注意材料熔融状态不应太长,因为表层热量会向工件内部传导,会使工件基体性能受到影响。 因此,在电子束抛光过程中需要保持很高的温度梯度,以便材料快速冷却[4—7],从而获得一般冷却速度下无法得到的化合物、过饱和固溶体以及微小晶粒,在实现表面抛光目的的同时可提升材料表面的抗腐蚀性、耐磨性、热强性等物理化学性能。

电子束抛光的优点
电子束抛光在真空中进行,无氧化、无脱碳。 抛光后的工件表面呈亮白色,几乎不发生变形,表面质量良好。 与常规的抛光技术相比,电子束抛光的优点与技术特性有:变形量小,电子束抛光时,只针对工件表面处理,而工件整体未能达到高温状态,能量总量较少;可控性强,电子束加工作为非接触式加工的一种,具有很高的智能化,通过计算机连接可以控制熔深,限制被加工材料的温度;清洁无污染,电子束加工是在真空环境中进行,极大降低了空气中的杂质和气体对工件表面质量的影响,加工过程中不会引入其他元素;能量利用率高,电子束能量密度的利用率可达到 90% 以上,损耗的能量很少。

电子束抛光的国内外研究进展
随着电子束表面抛光技术的发展,研究人员发现电子束抛光技术在材料表面处理方面有着无可替代的优势,因此国内外的相关机构对其进行了大量而深入的研究。
3. 1摇 国外研究进展
作为三束加工的一种———电子束技术在国外已发展半个世纪之久,当前仍然是研究热门专业,日本、欧美等均展开了深入的研究,其研究内容主要有以下几点。
3. 1. 1摇 电子束抛光工艺机理研究
UNO 等人[8]使用大面积电子束照射的方法,验证了电子束直径为 60 mm 的电子束,在照射时间为 2 ~ 3滋s,并以 0. 2 Hz 的频率照射下,能量密度为 7. 3 J /cm2 时的光泽度最好;在相同条件下,照射次数在 10次以下时,粗糙度随着照射次数的增加粗糙度降低,而当照射次数大于 10 时,粗糙度变化并不明显。 随着材料表面温度的升高,表面在短时间内被迅速加热、熔化甚至气化,当辐照结束后,材料熔化区在较高温度梯度作用下迅速凝固,形成过饱和的固溶体、纳米晶甚至非晶等亚稳组织[9]。 而冲击波的作用则使材料内部的晶体缺陷密度上升,提高了材料的表面硬度、耐摩擦性能及耐腐蚀性能[10]。YU[11]用大面积电子束扫描的方法抛光模具表面,他们分别在抛光前后用扫描电镜观察其表面形貌,如图 2 所示,并采用耐腐蚀性盐水喷雾实验,验证了大面积电子束抛光技术不但能够提高表面光滑度,还可以提升工件表面的耐腐蚀性。
3. 1. 2摇 工件倾斜角度对电子束抛光效果影响的研究
Y. Uno 等人[12] 使用大面积电子束照射的方法(电子束直径为 60 mm)对 NAK80 模具钢不同倾角进行抛光处理,证明了当工件在较小的倾斜角度下,粗糙度的变化并不大,而倾角大于 60毅时,抛光效果明显下降,见图 3。 能量密度计算所得粗糙度与实际测量粗糙度有一定偏差。
3. 1. 3摇 电子束表面抛光对表面力学性能改善的研究
ROTSHTEIN V. P[13]采用强流脉冲电子束对高速钢表面进行扫描,发现电子束辐照降低了钢的表面摩擦系数,钢表面晶粒细化,抗磨损性能增强。 I. A. Ba鄄taev[14]采用不同电子束束流对低碳钢表面进行辐照,发现表层组织变为针状细小颗粒,冲击韧性随着电流的增加而降低。 Rotshtein[15] 采用低能强流脉冲电子束对奥氏体不锈钢表面进行辐照实验,在其他参数不变的情况下,随着轰击次数的增加,钢表面粗糙度呈下降趋势,钢的抗腐蚀性能有所增强。 Kiseok Jeon[16]采用高能电子束辐照铟镓氧化锌( IGZO) 表面,实验发现,加速电压为 4. 5 kV 时,材料表层出现非晶状态和纳米晶体相,改善了材料的导电性。
3. 2摇 国内研究进展
国内电子束表面抛光技术相对于国外还存在一定差距,但国内研究所和学校已在电子束加工方面展开了深入的研究。 目前国内研究内容主要涉及以下几个方面。
3. 2. 1摇 电子束表面抛光实验参数的研究
许天才[17]采用束斑直径为 100 mm 的强流脉冲电子对两种不同粗糙度的 40Cr 表面进行抛光处理研究,通过调整脉冲次数获取表面粗糙度的变化规律,见图 4。 结果发现:未抛光处理表面粗糙度为 1. 3 滋m的 40Cr 原始试样,经电子束照射 45 次后,粗糙度降低至 0. 754 滋m,下降幅度为 45% ;未抛光处理表面粗糙度为 0. 1 滋m 的 40Cr 原始试样,经电子束照射 30 次后,机械磨痕被熔坑取代,粗糙度上升至 0. 5 滋m,随着脉冲次数的逐渐增大,表面粗糙度上下波动。 说明原始试样表面粗糙度对抛光效果有着决定性的影响。胡建军、高玉魁等人[18] 用强流脉冲电子束分别照射 40Cr 钢及钛合金 TC4、TC21,通过改变电子束加速电压、照射距离(俗称靶距)和脉冲次数三大因素进行正交试验。 结果发现:电子束处理后,材料表面的粗糙度与处理参数有直接关系,且表面的熔化程度及熔坑的形成是影响处理后表面形貌的两个重要因素。当电压大、照射次数小时,粗糙度会有不同程度的升高。 当照射距离远时,可以获得较小的材料表面粗糙度,有利于提高材料的摩擦磨损性能。
3. 2. 2摇 电子束抛光缺陷的研究
赵晖[22]等人利用强流脉冲电子束( HCPEB)装置对高速钢进行表面辐照处理,研究了该钢 HCPEB 处理后的表面形貌及表面性能的变化,分析了熔坑形成的原因:1)碳化物喷发所致;2)大量非平衡空位和复合缺陷向表面迁移的结果。 金铁玉[23] 等人利用强流脉冲电子束对调质钢(40Cr)进行表面处理,通过对脉冲次数与熔坑数量的研究,得出使用低能量密度而多次辐照能够有效抑制熔坑的形成。 Yi Tan[24] 采用电子束流熔凝硅锭表面,发现可以通过减小电子束流控制表层熔凝速率以获得优质形貌。
况军[25]利用强流脉冲电子束对 AZ31 镁合金表面进行扫描,表层金属温度迅速升至镁的熔沸点并出现典型熔坑现象。 凝固过程中,依靠基体良好导热性,使材料表面发生淬火效应,起到固溶强化作用,且重熔区晶粒细化,提高了表面的耐磨性。 同时,电子束扫描导致表层铝镁元素含量和分布发生改变,材料表层铝元素含量的提高并生成氧化膜是提高 AZ31 镁合金耐腐蚀性的主要原因。 之后,况军[26] 又对 TA15钛合金的耐磨蚀性进行了研究,发现在相同脉冲次数处理下,加速电压为 23 kV 时,试样表面同样出现熔坑现象,加速电压为 27 kV 时,熔坑熔合成长条状。但由于材料表面“自淬火冶效应,起到固溶强化作用,在加速电压为 27 kV、脉冲次数为 10 次时,材料耐磨性有最大提高,比原试样提高 3 倍。
3. 2. 3摇 电子束表面抛光的物理模型及数值模拟研究徐芳君[27]在分析强流脉冲电子束表面改性工艺的基础上,通过 ANSYS 软件建立模型,得到 M50 钢加工过程中动态温度场的分布曲线,并建立了有限元模拟,运用热力直接耦合方法对强流脉冲电子束作用下40Cr 钢表层温度与热应力场进行耦合分析,揭示了亚表层率先升温及熔化,表层温度变化迅速,从而实现快速熔凝。
肖志佩[28] 通过 ANSYS 模拟强流脉冲电子束表面处理下多项合金的温度场分布,发现在加速电压为25 kV,脉冲宽度为 1. 5 滋m,脉冲间隔 10 s 的条件下,材料表层在 0. 3 滋m 处开始熔化,0. 6 滋m 处温度最高,0. 9 滋m 时表层温度又降至材料凝固点,这与实验结果的快速凝固相吻合。
安健等人[29]在电子束表面改性的基础上,通过数值计算法并利用固液相变潜热的温度补偿对 Al鄄Si鄄Pb合金的温度场和应力场进行模拟,得出在 2. 5 J / cm2能量密度下,合金熔坑的最大深度为 1. 65 滋m,表面层熔化最大深度为 4. 40 滋m,揭示了表面熔坑形成机制和坡面硬度分布特征。

展望
近些年来,世界主要工业发达国家,如欧美、德国、日本、英国等,均对电子束加工技术进行了研究,国内部分高校及科研单位也对此领域展开了研究,如哈尔 滨 工 业 大 学、 重 庆 理 工 大 学、 大 连 理 工 大 学等[30—34]。 从目前国内外发表的论文情况以及实用型装置来看,电子束抛光技术在理论及实践方面已经取得了一定的进展及研究成果。 如在电子束抛光技术对模具钢表面粗糙度的改良、工艺参数的研究[35—37]、表面熔坑的控制、温度场和应力场物理模型的建立、数值模拟等方面[38—41]都有所突破。 但无论国内还是国外,对电子束抛光的研究仍然局限在对某种金属材料求取最优工艺参数(加速电压、加速电流、辐照距离等) ,而对多种金属材料的横向对比的研究少见报道。电子束在表面抛光的同时可以改善工件表面力学性能和表面质量,获取理想的合金层组织[42—48],为了更好地满足工业需要,有必要在以下几个方面进一步开展电子束抛光的研究工作。
1) 深入研究电子束与表层金属在抛光过程中的热力耦合规律,有利于为实际生产或实验提供理论依据。
2) 目前国内外实验所用试样多为自制规格的样品,与实际生产中的零件有很大差距,因此如何实现科研与实际生产相结合仍需要进一步探讨。
3) 电子束抛光的扫描方式会影响最后的抛光效果,目前单一的大面积电子束扫描具有很大的局限性。
4) 提高抛光效率。 目前,电子束抛光最常用的方法是采用大面积脉冲电子束机对工件表面进行辐照处理,最大抛光面积为 100 mm2,只能抛光较小尺寸的材料,若能改善抛光方法,将会极大地提高生产效率。

总结
电子束抛光是一种行之有效的抛光工序,能够有效地降低工件表面粗糙度,并能大幅度提高材料表面的强度、硬度、耐磨性及使用寿命等,对工业产品的多样化发展起到决定性作用。
虽然电子束设备的高造价和操作工程中需要精确调控的要求在一定程度上限制了它的发展,但随着工业的发展,电子束机械价格日益下降以及对电子束技术不断深入的研究,电子束抛光技术一定会在未来表面处理方面占有重要地位。



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