Резюме. 
Технология конструкционных материалов. 
Обработка концентрированными потоками энергии

При взаимодействии ускоренных электронов с твердым телом происходит множество процессов, в результате которых наблюдается эмиссия атомных частиц, а свойства самого твердого тела могут существенно измениться. Многие из этих процессов используют в различных электровакуумных приборах. Другая обширная область применения электронных потоков — это использование их в качестве универсального технологического инструмента, позволяющего не только изменять заданным образом свойства обрабатываемых материалов, но и тонко контролировать эти изменения.

Положительной особенностью электронной технологии является сравнительная легкость управления параметрами обработки с помощью электронно-оптических систем. Эти системы формируют моноэнергетический пучок электронов, сфокусированный и направленный в выбранный участок объекта. Если необходимо увеличить площадь облучаемой поверхности, то такой пучок перемещают от участка к участку по заданной программе, или разворачивают в растр. Возможно также использование электронно-оптической системы проекционного типа.

На пути к поверхности заготовки первичные электроны могут терять энергию и изменять направление движения из-за рассеяния на частицах окружающей среды. Такое явление особенно существенно, если в электроннолучевой установке поддерживается недостаточно высокий вакуум, или если само электронное облучение сопровождается активным выделением газов и паров из материала обрабатываемого объекта. Чтобы не менее 99% электронов доходили до поверхности без взаимодействия с атомами окружающей среды, нужно поддерживать вакуум в установке на уровне КН-10″ * Па и ниже.

При внедрении в вещество электроны испытывают многочисленные акты взаимодействия с его атомами. Эти акты можно разделить на два основных класса — на упругие и неупругие взаимодействия.

Под пругими понимают такие взаимодействия, при которых участвующие в них частицы обмениваются кинетической энергией, а их внутренняя энергия не изменяется. В электроннолучевой технологии электрон, упруго рассеиваясь на атоме твердого тела, не может разорвать его связь с соседями, так как его энергия, как правило, не превышает 100−200 кэВ. В результате смещение любого атома при соударении с электроном вызывает соответствующие смещения соседних атомов, и по атомной цепочке распространяется упругая волна. Такие волны в кристаллах могут возникать лишь на определенных дискретных частотах, каждой из которых соответствует свой квант энергии — фонон. Поэтому в каждом акте упругого рассеяния первичный электрон теряет энергию дискретными порциями, соответствующими возбуждению одного или нескольких фононов.

Такой процесс не является чисто упругим, поскольку он сопровождается возрастанием внутренней энергии твердого тела — энергии тепловых колебаний. Однако, имея в виду незначительность потери энергии электронов на фононное излучение, такое рассеяние называют квазиупругим.

При электронном облучении объекта некоторая часть первичных электронов в результате одного или нескольких последовательных актов упругого рассеяния на приповерхностных атомах и возвращается в вакуум. Такие электроны называются упруго отраженными. Их энергия практически не отличается от энергии первичных электронов. Упруго рассеянные электроны могут наблюдаться и на обратной стороне мишени в числе прошедших электронов.

Более обширным классом взаимодействий первичных электронов с твердым телом являются те, в результате которых изменяется не только направление их движения, но и энергия, то есть происходит их торможение. Одна из причин торможения заключается в том, что взаимодействие движущейся заряженной частицы с полем вещества должно сопровождаться появлением квантов тормозного электромагнитного излучения, которое используется в различных источниках рентгеновских лучей.

Когда электрон пересекает границу раздела двух сред с различными свойствами, возможно появление переходного излучения. При очень больших значениях энергии электронного пучка наблюдается.

излучение Черенкова, которое возникает в том случае, когда скорость электронов превышает фазовую скорость распространения электромагнитных волн в данном веществе. Кроме того, в этом случае наблюдается когерентное испускание рентгеновских квантов.

Основной механизм торможения первичных электронов в веществе связан с процессами неупругого рассеяния, в результате которых возбуждается электронная система вещества заготовки. Различаются два основных типа электрон-электронных взаимодействий в твердом теле: коллективные и одночастичные.

При коллективных возбуждениях первичный электрон взаимодействует с совокупностью валентных электронов твердого тела, которую можно в таком случае рассматривать как электронный газ. При такой возбуждении возникают колебания его электронной плотности на дискретных квантованных частотах, зависящих от концентрации электронов и от свойств материала. Квант энергии плазменных колебаний называют плазмой и рассматривают как квазичастицу твердого тела.

Различают два вида плазменных колебаний: объемные и поверхностные. Поверхностный плазмон имеет импульс, направленный вдоль границы раздела двух сред. Его энергия меньше, чем энергия объемного плазмона. Время жизни плазмонов не превышает 10'" с. При их распаде выделяется энергия, которая либо уносится электромагнитным излучением, либо передается одному из электронов твердого тела, либо переходит в теплоту. Каждому веществу соответствуют свои значения энергии объемного и поверхностного плазмонов.

Возбуждение плазменных колебаний соответствует рассеяниию первичного электрона с малыми изменениями импульса, то есть рассеянию на малые углы.

При рассеянии на большие углы импульс, передаваемый электронам твердого тела, достаточно велик, и в этом случае имеет место другой тип неупругого электрон-электронного рассеяния — одночастичные взаимодействия, при которых энергия первичных электронов тратится на ионизацию и возбуждение атомов твердого тела.

В каждом акте такого взаимодействия один из электронов твердого тела получает от первичного электрона энергию, достаточную для перехода в состояние с более высокой энергией. На энергетическом уровне, с которого произошел переход, при этом образуется вакансия.

Если у возбужденного электрона еще сохраняется энергия, достаточная для преодоления поверхностного потенциального барьера, то он может выйти в вакуум в качестве вторичного электрона. Общее количество вторичных электронов, выбиваемых в среднем одним первичным электроном, называется коэффициентом истинной вторичной электронной эмиссии, в отличие от полного коэффициента вторичной электронной эмиссии, который учитывает также и вышедшие обратно в вакуум первичные электроны.

Вторично-эмиссионные методы базируются также на оже-процессе, при котором дискретная порция энергии может быть передана безызлучательным способом от одного электрона другому электрону твердого тела. В таких спектрах наблюдаются пики при определенных значениях энергии, характерных для данного вещества и не зависящих от энергии первичного пучка.

Неупругие электрон-электронные процессы в твердом теле сопровождаются выходом в вакуум не только вторичных, но и неупруго отраженных электронов. Число таких электронов определяется коэффициентом неупругого отражения, который обычно составляет десятки процентов. В результате часть энергии электронного луча уносится из вещества, что снижает КПД.

В результате того, что большинство возбужденных электронов остается в твердом теле и сравнительно быстро теряет всю избыточную энергию в многочисленных актах торможения, в зоне проводимости скапливаются неравновесные электроны с тепловыми скоростями, называемые термализованными электронами. В металлах таких электронов значительно меньше, чем электронов проводимости, а в диэлектриках и полупроводниках эти величины сопоставимы. Возрастание проводимости при электронном облучении в результате появления дополнительных носителей заряда (электронов в зоне проводимости и «дырок» в валентной зоне) называется.

радиационной проводимостью (иногда наведенной или электронновозбужденной).

В конечном счете эти неравновесные электроны исчезают в результате рекомбинации с носителями противоположного заряда. Такая рекомбинация может происходить как при непосредственном столкновении электрона и «дырки», так с промежуточным захватом одного их носителей на локальные ловушечные уровни примесей или дефектов, которые в этом случае играют роль центров рекомбинации. Возможны различные процессы преобразования этой энергии рекомбинации, в том числе безызлучательная передача ее одному из электронов твердого тела в результате оже-процесса или передача ее кристаллической решетке с возбуждением фононов, или, наконец, испускание ее в виде кванта света. В последнем случае возвращение совокупности электронов твердого тела в равновесное состояние сопровождается рекомбинационным излучением, которое называют также люминесценцией, что используется при создании люминесцентных экранов электронно-лучевых приборов.

Если в результате электронных переходов резко возрастают силы отталкивания между соседними атомами, то может произойти необратимое изменение состава облучаемого электронами вещества. К таким процессам относится электронно-стимулированная десорбция чужеродных атомов и молекул, а также диссоциация химических соединений, находящихся на поверхности твердого тела.

Электронное облучение может приводить и к противоположному результату, то есть к образованию химических соединений, если химическая активность атома при его возбуждении возрастает. Электронный поток играет при этом роль катализатора. В ряде случаев электронно-стимулированные процессы играют вредную роль.

Неупругие электрон-электронные взаимодействия могут приводить также к образованию дефектов в объеме кристалла. В ионных кристаллах это может происходить в результате многократной ионизации отрицательно заряженного иона с последующим выталкиванием его из узла решетки под действием сил кулоновского взаимодействия с соседними ионами.

Путь, проходимый первичным электроном до его термализации, называется траекторным пробегом. Так как этот путь далек от прямолинейного, то важно знать также глубину проникновения электронов, которая определяется как проекция траекторного пробега на нормаль к поверхности.

Максимум пространственного распределения удельной энергии, выделяемой в мишени, расположен не на поверхности, а в объеме ее тела. Эта особенность отличает электронное облучение от ряда других способов передачи энергии твердому телу (например, от лазерного излучения).

В результате рассеяния электронов при их проникновении в вещество диаметр электронного пучка увеличивается, и их энергия выделяется в приповерхностном объеме образца, близком по форме к сферическому.

Исключительно важную роль в технологии играет электроннолучевой нагрев вещества. Лишь некоторая доля энергии первичного пучка уносится из тела мишени эмиттированными с ее поверхности электронами, фотонами и атомными частицами, а оставшаяся часть поглощается веществом и в конечном счете переходит в теплоту. Как и при любом другом способе нагрева эта теплота отводится от облучаемого участка за счет теплопроводности материала и теплового излучения поверхности. С ростом энергии электронного пучка тепловой баланс между выделяемой и отводимой энергиями устанавливается при более высокой температуре облучаемого участка. Повышение температуры в свою очередь стимулирует протекание ряда термических процессов: структурных фазовых переходов, отжига дефектов, диффузии, рекристаллизации, плавления, десорбции и испарения с поверхности атомных частиц, термоэлектронной эмиссии и др.

Особенностью электроннолучевого нагрева является то, что можно достигнуть очень высокой концентрации тепловой энергии при сравнительно малой общей мощности пучка.

Пока нагрев не сопровождается изменением агрегатного состояния вещества, закономерности проникновения электронов в образец при удельной мощности пучка до 10М0⁵ Вт/см² остаются такими же, как и для маломощных потоков.

Имеющиеся экспериментальные и теоретические данные показывают, что максимум поглощаемой мощности находится на оси пучка, но не на поверхности мишени, а под поверхностью, причем его относительное положение мало меняется при возрастании энергии.

Для аналитической аппроксимации распределения удельных потерь энергии по глубине используется функция Гаусса.

Распределение температуры облучаемой мишени находится в результате решения неоднородного уравнения теплопроводности, для чего имеются соответствующие компьютерные программы. Простейшим является случай, когда имеется точечный источник, время воздействия которого очень мало, и который порождает температурное поле в бесконечной однородной среде (мгновенный точечный источник). В этом случае с течением времени график температуры, создаваемой точечным источником, как бы оседает и расплывается.

Если представить выделяющуюся мощность P (x, r, t) в виде совокупности точечных источников, распределенных в пространстве и времени, то произведя наложение температурных полей от каждого из них, можно получить полное решение уравнения теплопроводности.

Важными достоинствами электроннолучевой обработки с технологической точки зрения являются:

• 1. Возможность за счет фокусировки луча плавно изменять удельную мощность в зоне нагрева;
• 2. Большая мощность (до мегаватт) в месте взаимодействия луча с заготовкой;
• 3. Удобство управления положением луча и модулирования его мощности;
• 4. Наличие вакуума как рабочей (защитной) среды;
• 5. Возможность получения малоразмерной прецизионной зоны воздействия луча.

Недостатками являются:

• 1. Необходимость обеспечения высокого вакуума;
• 2. Сложность изготовления и эксплуатации оборудования.

Все основные операции электроннолучевой обработки можно условно разбить на три группы:

• 1. Плавление (операции локального переплава, плавка в вакууме).
• 2. Испарение (испарение в вакууме, размерная электроннолучевая обработка);
• 3. Термообработка без изменения агрегатного состояния вещества.

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 расплавленного металла приводит к последующей дополнительной закалке. Включение этих зон в более пластичный основной металл повышает износостойкость поверхности. Иногда такое поверхностное оплавление материала называют облагораживающим.

Электроннолучевая плавка или плавка лучом в вакууме применяется тогда, когда необходимо выплавить особо чистые металлы, в том числе химически активные. При этом можно получать более высокий перегрев жидкого металла в ванне и наиболее полно производить дегазацию металла и отгонку летучих примесей, а также осуществить те физико-химические процессы, которые при иных методах плавки не успевают протекать полностью. Особую роль при этом играет вакуум как защитная среда.

Электроннолучевая сварка. Эта операция является одним из самых распространенных технологических применений электронного луча. При относительно малых удельных поверхностных мощностях электронного луча форма проплавления имеет такой же вид, как и при традиционных процессах газовой и дуговой сварки. По мере увеличения удельной поверхностной мощности начинается интенсивное испарение металла с поверхности сварочной ванны. Это приводит к деформации жидкого металла под действием реакции паров, к углублению сварочной ванны и к получению швов с глубоким проплавлением, называемых кинжальными. Электроннолучевую сварку целесообразно применять при получении толстостенных конструкций, так как за один проход можно получить проплавление глубиной 200…300 мм. Кроме того, глубокое проплавление позволяет получать сварные соединения принципиально новой формы, которые нельзя получить иными способами.

Поскольку вакуум как защитная среда при сварке целого ряда химически активных и тугоплавких металлов и сплавов позволяет получить значительно более высокие показатели сварного шва, чем при сварке в защитных газах, сварные конструкции из таких материалов как вольфрам, титан, молибден, цирконий, тантал и др. изготавливаются, в основном, с помощью электроннолучевой сварки.

Малая величина объема ванны расплавленного металла, получаемого при электроннолучевой сварке, резко снижает деформации свариваемых деталей. Открывается возможность сваривать конструкции из уже окончательно обработанных деталей с незначительной последующей обработкой или вовсе без нее. Возможны также сварка термообработанных изделий, например, после закалки. В автомобильной промышленности так изготавливают зубчатые блоки из отдельно обработанных механически и термически шестерен, собранных на валу и закрепленных с помощью электроннолучевой сварки.

Электроннолучевое испарение металлов. Испарение в вакууме материалов при нагреве их электронным лучом используют для получения тонких пленок. В отличие от других способов испарения, где энергия подводится к испаряемой поверхности через стенку тигля или через высокотемпературный нагревательный элемент, здесь осуществляется прямой нагрев поверхности испаряемого металла, что особенно важно при работе с химически активными и тугоплавкими материалами.

Размерная обработка электронным пучком. В результате такого рода обработки в заготовке получают глухие или сквозные отверстия заданных размеров и заданный контур с определенными допусками. Размерная электроннолучевая обработка основана на том, что при достаточно большой поверхностной удельной мощности скорость испарения и давление пара возрастают настолько, что весь жидкий металл с потоком пара выбрасывается из зоны обработки.

Параметры электроннолучевой размерной обработки связаны с физическими характеристиками материала заготовки (температурой плавления, упругостью пара) и не зависят от его механических свойств (прочности, твердости, пластичности). Поэтому электронный луч нашел применение в первую очередь при обработке твердых материалов — алмазов, кварца, керамики, кристаллов кремния и германия.

Особой разновидностью размерной электроннолучевой обработки является перфорация, то есть получение мелких сквозных отверстий, заданных формы и размеров в заданном количестве на единицу площади. Так изготавливают металлические и керамические элементы фильтров, пористый материал для камер сгорания ракетных двигателей и для лопаток турбин, фильеры и др.

Электроннолучевая термообработка. Этот процесс позволяет осуществлять локальный нагрев обрабатываемых участков поверхности с целью структурных превращений (в основном, закалки) или для отжига в вакууме с целью увеличения пластичности и очистки поверхности от адсорбированных газов.

Когда зона закалки достаточно мала, интенсивность отвода тепла в металл оказывается достаточной для образования закалочных структур. Примером является упрочнение лезвий режущего инструмента из быстрорежущих сталей, в результате чего их рабочий ресурс повышается в 2 раза.

Термообработка листового материала или фольги производится сканированием луча.