Взаимодействие электронного луча с металлами

Все фазовые и структурные изменения в металлах при осуществлении электроннолучевых процессов происходят благодаря их взаимодействию с электронами луча. В результате взаимодействия потока электронов с обрабатываемым веществом кинетическая энергия движущихся электронов превращается в другие виды энергии.

Мощность электронного пучка на поверхности обрабатываемого материала рассчитывается по следующей формуле

, (4.8)

где U – ускоряющее напряжение;

I _л– сила тока луча;

h – эффективный КПД нагрева.

Удельная поверхностная мощность луча в зоне его воздействия на вещество

P ₀ = P/S, (4.9)

где S – площадь сечения луча на поверхности вещества.

Величина Р ₀ является одной из важнейших энергетических характеристик электроннолучевых процессов и в значительной мере определяет возможности электроннолучевой технологии.

При максимальном значении P ₀, которое достигает 10¹²...10¹³ Вт/м², можно проводить размерную обработку материалов за счет их локального испарения в месте воздействия луча на изделие. При меньших значениях P ₀ (это сравнительно просто можно осуществить расфокусировкой луча) проводят плавку, сварку, нагрев и термообработку в вакууме. На рис.4.2 приведены диапазоны значений мощности и удельной поверхностной мощности P ₀ для наиболее важных процессов электроннолучевой технологии. Там же приведены значения ускоряющих напряжений U и диаметров d пучка в зоне обработки.

Рис. 4.2 Диапазоны значений мощности P и удельной

поверхностной мощности P ₀для наиболее важных процессов

электроннолучевых методов обработки

При прохождении через вещество электрон испытывает упругие и неупругие взаимодействия с атомами и ядрами. При упругом взаимодействии суммарная кинетическая энергия сталкивающихся частиц сохраняется, происходит лишь её перераспределение между частицами. При неупругом взаимодействии часть этой энергии идет на увеличение внутренней энергии атома или ядра.

Упругое взаимодействие электрона с ядром. Определим долю энергии, передаваемой неподвижному ядру налетающим электроном при упругом взаимодействии, и угол рассеяния последнего.

Изменение энергии электрона может быть легко вычислено из законов сохранения импульса и энергии для системы сталкивающихся частиц. Максимальное количество энергии передается покоящейся частице при лобовом ударе. В этом случае, пренебрегая массой электрона по сравнению с массой протона, получаем:

, (4.10)

где ΔЕ - энергия, переданная электроном ядру в результате столкновения;

Е₀ - начальная энергия электрона;

т_е и т_р - масса электрона и протона соответственно;

А- относительная атомная масса элемента.

Оценки, выполненные с помощью формулы (4.10) показывают, что в одном акте взаимодействия электрон передает атому лишь очень малую долю своей энергии. Принимая во внимание тот факт, что доля упругих взаимодействий составляет ~10% от общего числа взаимодействий, можно считать, что энергия электрона при упругих рассеяниях на ядрах не изменяется.

Неупругое взаимодействие электрона с ядром. При неупругом взаимодействии электрона с ядром кинетическая энергия электрона может расходоваться на возбуждение атомов и на тормозное рентгеновское излучение.

При рассеянии на ядре атома облучаемого вещества электрон двигается ускоренно. Из уравнений Максвелла следует, что электрически заряженная частица, движущаяся с ускорением, излучает электромагнитные волны. Это излучение называется тормозным рентгеновским излучением. Спектр его непрерывный, причем максимальная энергия кванта тормозного излучения равна начальной кинетической энергии электрона. Доля энергии пучка, превращающейся в энергию рентгеновского излучения, равна

, (4.11)

где Е₀ выражено в кэВ. Эта формула верна при 0<E₀<2.5 МэВ.

Эффект торможения электрона в поле атомных электронов еще слабее. Его энергетическая доля приблизительно в Z раз меньше, чем доля тормозного рентгеновского излучения в поле ядер. Таким образом, тормозное излучение при взаимодействии нерелятивистских электронных пучков с мишенью играет несущественную роль.

Ионизационные потери. Основным механизмом потерь энергии электроном в твердом теле являются потери на ионизацию, под которыми понимают энергию, отданную первичным электроном на возбуждение или ионизацию атома. Эти потери связаны с взаимодействием первичного электрона с атомными и определяются сечением Мёллера, которое, однако, строго справедливо для случая рассеяния быстрого электрона на свободном. На своем пути электрон испытывает большое количество таких столкновений. Поэтому принимают, что электрон теряет энергию вдоль своей траектории непрерывно и вводят понятие удельных потерь энергии или тормозной способности среды -dE/dx. Такое приближение называется приближением непрерывного торможения. В нерелятивистском случае удельные потери энергии вычисляют на основании формулы Бете, которую можно записать в универсальном, одинаковом, для всех веществ виде

, (4.12)

Электроны пучка могут передавать электронам твердого тела энергию, достаточную для того, чтобы они покинули мишень. Такие электроны называются вторичными. Для того чтобы каким-то образом отделить отражённые электроны от вторичных, вводят условную энергетическую границу и считают, что электроны с энергией до 50 эВ являются истинно вторичными, а электроны с энергией выше 50 эВ - отражёнными. Коэффициент истинной вторичной электронной эмиссии, равный среднему количеству вторичных электронов, выбиваемых одним первичным, для металлов не превосходит числа 2. Исходя из этих данных, можно сделать оценку доли энергии, уносимой вторичными электронами при облучении мишени электронным пучком с энергией первичных электронов ~10кэВ. Доля уносимой энергии оказывается пренебрежимо малой.

Релаксация между электронной и ионной подсистемами. Налетающие электроны при прохождении в веществе свою энергию практически полностью тратят на электрон - электронные взаимодействия, что приводит к увеличению внутренней энергии электронного газа. Передача энергии электронным газом кристаллической решётке происходит сравнительно медленно из-за большой разницы в массах электронов и ионов. Энергия передаётся от электронной подсистемы к кристаллической решётке и температура последней растёт. Выравнивание температур электронной и ионной подсистем происходит за время около 10^-10 с. Поэтому условно считают, что при длительности импульса облучения больше 10^-8 с является корректным понятие мгновенного источника теплоты, которое подразумевает, что релаксация между электронной и фононной подсистемами происходит мгновенно, следовательно, разницы температур между ними не существует. Задача о нагреве мишени в этом случае сводится к решению параболического уравнения теплопроводности с тепловыми источниками и определенными краевыми условиями.

Функция тепловых источников. Потери энергии электрона по глубине. Выше были рассмотрены основные индивидуальные процессы, приводящие к рассеянию энергии проходящих через вещество электронов. Эти процессы приводят к тому, что в слое мишени толщиной порядка глубины пробега электрона выделяется энергия, основная часть которой в конечном итоге переходит в тепло. Большое число проходящих через мишень электронов и большое количество испытываемых ими актов рассеяния энергии позволяют описывать количество энергии (тепла), выделившееся в единице объёма вещества в единицу времени непрерывной функцией несмотря на то, что энергия электроном теряется дискретно. Здесь - радиус-вектор точки мишени. Функцию далее будем называть функцией тепловых источников (ФТИ). Если задача допускает одномерную постановку, а далее будет рассматриваться только одномерный случай, то ФТИ можно вычислить, используя известные полуэмпирические формулы.

Расчёт ФТИ выполняется по следующему алгоритму: вначале по известному полуэмпирическому выражению вычисляется глубина пробега электрона заданной энергии в материале, а затем, используя полуэмпирическое выражение для нормированной функции потерь энергии электроном по глубине, описывающей профиль функции энерговыделения, находится ФТИ.

Из-за многочисленных актов взаимодействия первичного электрона с ядрами и электронами материала его траектория представляет сложную ломаную линию. Проекция траектории электрона на направление распространения пучка, нормально падающего на мишень, называется глубиной пробега или проникновения электрона

Для моноэнергетического пучка используют приближение, верное в широком диапазоне энергий налетающих электронов, заключающееся в том, что глубина пробега обратно пропорциональна плотности материала мишени с коэффициентом пропорциональности, зависящем только от энергии элекгрона. Для определения глубины пробега электронов в различных материалах с хорошим приближением можно пользоваться очень простой формулой, предложенной Коваленко

(4.13)

где R_e- [см]; C=10^-5 [г/(см*кэВ^1/3]²E₀- [кэВ];

ρ - плотность [г/см³].

Глубина проникновения электрона в вещество обычно не превышает нескольких десятков микрометров, но ее учет весьма существен при анализе взаимодействия электронов с веществом, особенно при больших значениях удельной поверхностной мощности пучка.

Проходя сквозь вещество, электроны взаимодействуют с крис­таллической решеткой или отдельными атомами вещества. При этом увеличивается амплитуда колебаний составляющих вещество частиц, изменяются параметры его кристаллической решетки, повышается температура. В ряде случаев энергия, сообщенная электронами атомам, приводит к разрыву связей между отдельными атомами.

Торможение электрона в веществе сопровождается рядом раз­личных явлений: 1) собственно нагревом поверхности, используемым в технологических целях; 2) тормозным рентгеновским излучением, возникающим при электронной бомбардировке материалов; 3) вторичной электронной эмиссией, отражением электронов и тер­моэлектронной эмиссией с обрабатываемой поверхности.

Нагрев обрабатываемого материала электронным лучом осуще­ствляется за счет выделения энергии в поверхностных слоях вещества и дальнейшей теплопередачи во внутренние слои. Благодаря высокой интенсивности ввода энергии в вещество при электроннолучевой обработке на обрабатываемой поверхности развиваются столь высокие температуры, что они могут превышать точку кипения самых тугоплавких материалов.

По данным академика Н.Н. Рыкалина, при ускоряющем напряжении U = 20 кВ и удельной поверхностной мощности Р ₀ = 10¹⁰Вт/м² за время τ = 10^–5... 10^–6 с в поверхностных слоях различных материа­лов развиваются следующие температуры (в скобках указаны тем­пературы кипения), К:

Алюминий (2593К)…………..4423К

Кремний (2773).................... 6273

Титан (3773)…………………5313

Никель (3273)……………….7113

Нержавеющая сталь(3323)…5373

Вольфрам (5673)...................15 873

Съем металла с обрабатываемой поверхности за счет его испарения и взрывного вскипания лежит в основе размерной электроннолучевой обработки.

При электронной бомбардировке вещества часть его атомов возбуждается и испускаеттормозное рентгеновское излучение, сум­марная доля которого в общем балансе выделяемой энергии Р со­ставляет

η _x = Р_x / Р = 4,4 ∙ 10^–7 ZU, (4.14)

где Р_х – мощность рентгеновского излучения; Z –атомный номер элемента; U –ускоряющее напряжение, кВ.

В целях безопасности исходя из зависимости (4.1) стараются ограничить ускоряющее напряжение до минимального уровня, при котором энергия электронов достаточна для решения поставленной технологической задачи.

Падающий на поверхность обрабатываемой заготовки электрон­ный поток вызываетвторичную электронную эмиссию с обрабаты­ваемой поверхности итермоэлектронную эмиссию из разогретой до высоких температур зоны обработки. Обычно теряемая при этом мощность не превышает 1 % мощности электронного пучка. В ряде случаев вторичная электронная эмиссия может быть использована для контроля за нагревом и плавлением вещества, правильностью установки электронного луча на обрабатываемый участок заготовки и т.д.

Не все электроны, попадающие на обрабатываемую поверхность, поглощаются – некоторая часть из них отражается, причем тем сильнее, чем больше атомный номер элемента. Доля отраженных электронов может достигать 40 %. Отражение электронов увеличи­вается при отклонении оси пучка от нормали к поверхности заго­товки, поэтому обработку всегда целесообразно вести лучом, пер­пендикулярным обрабатываемой поверхности.

Давление потока электронов p_e (Па) на обрабатываемый материал определяется как отношение суммы импульсов к площади поверхности. Его находят по эмпирической формуле

(4.15)

где J – плотность тока в луче, А/м²; U –ускоряющее напряжение, В.

Расчеты по этой формуле показывают, что суммарное давление электронного потока на поверхность весьма невелико. Зато реакция паров вещества, истекающих с большой скоростью при испарении, оказывает на поверхность в зоне обработки значительное давление. В связи с этим при электроннолучевой сварке можно получить глубокое проплавление, а при электроннолучевой размерной обработке – глубокие отверстия.

Рассмотрим основные процессы происходящие при взаимодействии электронного луча с обрабатываемым материалом.

Локальный переплав обрабатываемых поверхностей с помощью электронного луча дает возможность получать чрезвычайно высокие скорости кристаллизации металла в зоне плавления. Образующиеся при этом структуры значительно отличаются от структур, получаемых в обычных условиях: расширяются границы растворимости для твердых растворов, измельчается микроструктура, значительно повышаются пластичность и твердость. Быстрое остывание расплавляемого металла приводит к последующей дополнительной закалке и за время t =10^–3...1 с температурного цикла нагрев – охлаждение у закаливающихся сталей образуется структура мелкозернистого мартенсита с весьма высокой твердостью. Включение этих зон в более пластичный основной металл повышает износостойкость поверхности, особенно у ледебуритных сталей и чугунов. Иногда такое поверхностное оплавление материала называют «облагораживающим», что позволяет для изготовления ответственных конструкций с высокими показателями износостойкости использовать недорогие исходные металлы и сплавы.

Плавка электронным лучом в вакууме применяется в тех слу­чаях, когда необходимо выплавлять особо чистые металлы, в том числе химически активные.

Плавка электронным лучом имеет значительные преимущества по сравнению с другими способами плавки в вакууме (индукционным и дуговым), так как позволяет получать более высокий перегрев жидкого металла в ванне и наиболее полно производить дегазацию металла, отгонку летучих примесей, а также осуществлять другие физико-химические процессы, которые при иных методах плавки не успевают проходить полностью или не протекают вообще. При электроннолучевой плавке переплавляемый материал может быть использован практически в любом виде (шихта, пруток, лом, спеченные штабики, губка).

Особую роль в достижении этих целей играет наличие вакуума как защитной среды:

1. В вакууме происходит интенсивное удаление растворенных в металле газов, что значительно улучшает их механические свойства, особенно пластичность. Многие сплавы на основе титана, вольфрама, молибдена, ниобия и других химически активных металлов получили промышленное применение только благодаря тому, что их выплавляют в вакууме.

Некоторые из вредных примесей (нитриды, карбиды, оксиды) при нагревании в вакууме разлагаются; при этом происходит вакуумное рафинирование переплавляемого металла. Переплавленный металл содержит меньше неметаллических включений, и это повышает эксплуатационные характеристики изготовленных из него изделий.

2. При плавке металла в вакууме все время происходит удаление газообразных продуктов из зоны реакции, вследствие чего равновесие химических реакцийМеО+С Ме+СОпо принципу Ле-Шателье сдвигается вправо, т.е. резко интенсифицируются раскислительные реакции. Это также дает возможность повысить качество выплавляемого в вакууме металла, значительно снизить содержание в нем газов, прежде всего кислорода.

Электроннолучевая термообработка возникла как процесс, поз­воляющий осуществлять локальный нагрев обрабатываемых участков поверхности с целью получения структурных превращений ма­териала (в основном закалки) или для отжига в вакууме обраба­тываемых листовых материалов для увеличения их пластичности и очистки поверхности от адсорбированных газов.

Закалка без плавления посредством электроннолучевой обра­ботки применяется сравнительно редко, так как применение зака­лочных сред, увеличивающих скорость охлаждения (вода, масло), в вакууме затруднено. Однако в тех случаях, когда зона закалки должна быть достаточно малой, интенсивность теплоотвода в основной металл вполне достаточна для образования закалочных структур в зоне электроннолучевого нагрева. Закалка, в частности, применяется для упрочнения лезвий инструмента из быстрорежущей стали – ресурс работы повышается в два раза по сравнению с инструментом, закаленным обычным способом.

Термообработка листового материала или фольги обычно про­водится в специализированных установках для получения материалов с покрытиями; их наносят в вакууме на обезжиренный и пред­варительно нагретый до 200...400° С металл – нагрев удобно осу­ществлять электронным лучом. Для равномерного нагрева материала в этом случае обычно используют сканирование луча по обраба­тываемой поверхности с помощью магнитной отклоняющей системы.

Испарение в вакууме материалов при нагреве их электронным лучом широко используют для получения тонких пленок. В отличие от других способов испарения, где энергия подводится к испаряемой поверхности через стенку тигля или высокотемпературный на­гревательный элемент, при электроннолучевом испарении осуществ­ляется прямой нагрев поверхности испаряемого материала. Это позволяет испарять материалы из водоохлаждаемых тиглей, что особенно важно при работе с химически активными и тугоплавкими материалами. Испарение материала из охлаждаемого тигля дает возможность получать покрытия высокой чистоты, поскольку при этом почти полностью исключается реакция испаряемого материала с материалом тигля, а материал тигля и продукты реакций практически не испаряются.

Важно отметить, что при электроннолучевом испарении удается управлять электронным пучком в пространстве и во времени, ре­гулируя тем самым интенсивность ввода энергии в испаряемое ве­щество, а следовательно, скорость испарения и распределение плотности потоков пара.

Для процесса испарения важное значение имеет число испарен­ных частиц, прошедших путь до заготовки без столкновений,
N= N₀exр (– πσх), где N₀– число частиц потока пара, испаряемых с поверхности; а– площадь эффективного сечения; п– концентрация частиц газа; х– путь, пройденный частицей до столкновения.

Расчетом можно определить, что среднее значение длины сво­бодного пробега частицы пара до столкновения ее с молекулой газа при давлении р =10^–2 Па составляет около 500 мм. Следовательно, напыляемая подложка должна находиться от испаряемой поверхности, учитывая угол рассеивания частиц по подложке, на расстоянии не более 250 мм. В этом случае практически весь испа­ренный материал попадет на поверхность подложки, т.е. система испарителя будет работать с высоким КПД. Другим важным технологическим параметром является скорость испарения

, (4.16)

где a – коэффициент испарения;

К₁ К₂ – коэффициенты, зависящие от материала испаряемого вещества;М₀ – массовое число испаряемого вещества; Т– температура.

Практика показывает, что скорость испарения вещества должна быть v_и ³ 0,1¼ 100 г/(м²·с). Достижение таких скоростей испарения возможно только при испарении из жидкой фазы, что и определяет конструктивные особенности испарительных установок.

Дата добавления: 2017-02-01