Электронные пучки

Появление ускорителей электронов создало уникальную возможность получения новых видов КПЭ [77, 78]. Основной фактор воздействия пучков ускоренных электронов на материалы сводится к тепловому воздействию, которое приводит к плавлению поверхностного слоя материала и его последующему быстрому затвердеванию.

Разработанные электронно-пучковые технологии характеризуются повышенными возможностями по сравнению с системами лазерной обработки. Это касается контроля плотности энергии электронного пучка, возможности большой площади воздействия на поверхность материала (широкоапертурные электронные пучки), снижения коэффициента отражения падающего потока от поверхности материала, что в целом приводит к повышению концентрации энергии в единице объема обрабатываемого материала.

Для модификации материалов используются низкоэнергетические (энергия электронов составляет десятки кэВ) и высокоэнергетические (энергия электронов составляет единицы - десятки МэВ) сильноточные (плотность тока - несколько кА/см2) электронные пучки (СЭП).

Наиболее широкую распространенность для модифицирования структурно-фазового состояния материалов получили низкоэнергетические сильноточные электронные пучки. Они не приводят к образованию радиационных дефектов, их воздействие сводится к созданию в кристаллической решетке различного типа электронных возбуждений. На завершающей стадии релаксации возбужденного состояния твердого тела инжектируемая в него энергия плотного пучка низкоэнергетических электронов по различным каналам трансформируется в колебательную энергию ядер. Поэтому эффекты действия СЭП на материалы имеют преимущественно тепловую природу. Они определяются процессами, зависящими от удельной мощности пучка, и обусловлены высокоскоростными режимами нагрева и охлаждения обрабатываемой поверхности. В результате резкого изменения температуры материал испытывает тепловой удар, что приводит к появлению в телах мощной волны термических напряжений, обусловливающих структурно-фазовые превращения в приповерхностных слоях и, в конечном итоге, изменение их физикомеханических свойств.

Формирование СЭП осуществляется в сильноточном ускорителе заряженных частиц, основной элемент которого - диод, представляющий собой систему металлических электродов, разделенных вакуумным либо газовым промежутком с соответствующим давлением газа. К электродам прикладывается высокое напряжение, под действием которого происходит эмиссия электронов из катода и их ускорение.

Под формированием электронного пучка понимается процесс движения частиц пучка под действием электрического поля ускоряющей разности потенциалов. Обычно СЭП получают в импульсном режиме в течение промежутка времени, за который прикатод- ная плазма пересекает расстояние между катодом и анодом.

В работах [79, 80] было исследовано действие СЭП микросе- кундной длительности (2-3 мкс) на титановые сплавы. Авторами данных работ было показано, что в результате такой обработки формируется поверхностный слой толщиной 5-10 мкм, микроструктура которого в зависимости от плотности поглощенной энергии и числа импульсов изменяется от глобулярной к столбчатой. В то же время наблюдается снижение шероховатости поверхности от 0,3 до 0,05 мкм. Такое существенное снижение шероховатости поверхности авторы связывают с низкой теплопроводностью титановых сплавов и большим временем существования жидкой фазы. Что касается элементного и фазового состава поверхностного слоя, то они также изменяются при воздействии СЭП. С помощью Оже-электронной спектроскопии показано, что содержание атомов углерода и кислорода, которые являются примесями по типу внедрения, существенно снижается, что происходит в результате интенсификации диффузионных процессов в расплаве. В случае воздействия СЭП на р-сплавы титана происходит полный или частичный распад P-фазы на ин- терметаллиды и промежуточные метастабильные фазы.

В работах [81, 82] показана возможность формирования поверхностных легированных слоев в титане при воздействии СЭП микросекундной длительности на системы металлическое покрытие-подложка. Такой тип обработки титановых сплавов проводят при плотности поглощенной энергии свыше 3 Дж/см2, обеспечивающей плавление поверхностного слоя и его последующую кристаллизацию из расплава, скорость охлаждения которого составляет ~ 106 К/с.

В частности, в работе [83] были использованы СЭП, длительность импульса которых составляет 3 мкс, а плотность поглощенной энергии - 3,5-4,0 Дж/см2. Воздействие таких электронных пучков на систему А1(пленка)/Т1(подложка) при толщине алюминия 100 нм приводит к формированию поверхностного слоя толщиной 3-4 мкм, концентрация алюминия в котором достигает 80 ат.%. В результате этого в поверхностном слое титана образуются интерметаллиды Ti3Al и TiAl3 с субмикро- и нано- кристаллической структурой.

Аналогичные результаты, связанные с образованием поверхностных легированных слоев в титане, были получены в работе [84] при его легировании атомами циркония в результате воздействия СЭП с длительностью импульса 3,5 мкс на систему Zr/Ti с толщиной покрытия Zr 480 нм.

Особенностью воздействия СЭП как на титановые сплавы, так и на другие материалы является образование кратеров на поверхности, диаметр которых может находиться в диапазоне от 1 до 80 мкм, а глубина достигает 2 мкм. Замечено, что с ростом числа импульсов (п) количество кратеров уменьшается и при п > 40 их присутствие практически не регистрируется. Данное обстоятельство свидетельствует о том, что основной причиной формирования кратеров является не филаментация электронного пучка (образование высокоинтенсивных струй- филаментов, характеризующихся очень высокими значениями плотности тока), а неоднородность химического состава и структурно-фазового состояния материала, а также формирование гидродинамических неустойчивостей при взаимодействии электронного пучка со случайно ориентированными участками поверхности.

Преимуществом обработки материалов СЭП является возможность их упрочнения на глубине, превышающей глубину плавления. К недостаткам следует отнести необходимость использования большого количества импульсов для обеспечения перемешивания, а также нанесение пленок легирующих элементов небольшой толщины, не превышающей глубину проникновения электронов, что не позволяет увеличивать концентрацию легирующих элементов в перемешанном слое за счет повышения толщины предварительно нанесенного покрытия.

В Институте сильноточной электроники СО РАН были разработаны импульсные электронно-пучковые устройства с плазменным катодом для генерации низкоэнергетических СЭП, длительность импульса которых может достигать 200 мкс. По совокупности энергетических параметров такие установки характеризуются энергией электронов от 2 до 20 кэВ, током пучка электронов от 20 до 200 А, частотой следования импульсов от 1 до 20 Гц. Плотность поглощенной энергии, передаваемая поверхностному слою материала при воздействии на него таких электронных пучков, достигает десятков Дж/см2 [85].

Увеличение длительности импульса СЭП, сопровождаемое повышением плотности поглощенной энергии, приводит к увеличению глубины расплавленного слоя обрабатываемого материала до десятков микрометров. В работах [86-88] показано, что с помощью СЭП с длительностью импульса от 50 до 200 мкс при их воздействии на системы Ti/Si, Сг/А1 происходит формирование поверхностных легированных слоев толщиной до 20 мкм.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >