Электронно-лучевая обработка
(ЭЛО) основана на тепловом воздействии потока движущихся электронов на обрабатываемый материал, который в месте обработки плавится и испаряется. Столь интенсивный нагрев вызывается тем, что кинетическая энергия движущихся электронов при ударении о поверхность обрабатываемой заготовки почти полностью переходит в тепловую, которая будучи сконцентрирована на площадке малых размером (не более 10 мкм), вызывает её разогревание до 60000С. При размерной обработке, как известно, происходит локальное воздействие на обрабатываемый материал, что при ЭЛО обеспечивается импульсным режимом потока электронов с продолжительностью импульсов 10-4…10-6 с и частотой f = 50 … 5000 Гц. Высокая концентрация энергии при ЭЛО в сочетании с импульсным воздействием обеспечивают условия обработки, при которых поверхности заготовки, находящиеся на расстоянии 1 мкм от кромки электронного луча, разогреваются до 30000С. Это позволяет использовать ЭЛО для резки заготовок, изготовления сеток из фольги, вырезания пазов и обработки отверстий диаметром 1 - 10 мкм в деталях из труднообрабатываемых материалов. Схема установки для электронно-лучевой обработки изображена на рис. 52.
Рис.1. Схема установки для электронно-лучевой обработки:
1 – катод электронной пушки; 2 – электрод; 3 – анод; 4 – электромагнитная линза; 5 – магнитная система; 6- обрабатываемая деталь.
В установках для электронно-лучевой обработки электроны имитируются на катоде 1 электронной пушки; формируются в пучок электродом 2, расположенным непосредственно за катодом; ускоряются под действием разности потенциалов между катодом и анодом 3, составляющей около 150 кВ, а затем фокусируются в виде луча в электромагнитной линзе 4. Сфокусированный электронный луч, пройдя через отклоняющую магнитную систему 5, попадает на обрабатываемое изделие. Обработка ведется в вакууме порядка 10-2 – 10-4 Па.
При размерной обработке заготовок установка работает в импульсном режиме с длительностью импульсов 10-4 – 10-6 с и частотой 150–6000 Гц, что обеспечивает локальный нагрев заготовки. В зоне обработки температура достигает 6000 оС, а на расстоянии 1 мкм от пятна сфокусированного луча не превышает 300 оС. Диаметр сфокусированного луча в зоне обработки может быть 10 – 400 мкм, при этом плотность энергии достигается порядка 107 Вт/см2.
Вакуум при электронно-лучевой обработке необходим как для создания и формирования электронного пучка, так и для защиты обрабатываемого металла от действия кислорода и азота воздуха, ускорения дегазации металла при плавлении, удаления некоторых вредных примесей и др.
Испарение материалов
Испарение (точнее, испарительное осаждение) в вакууме является важным способом получения тонких пленок.
Использование электронных пучков в процессах, связанных с испарением материалов, обусловлено особенностями распределения потоков энергии при нагреве этого материала. При электронно-лучевом испарении испаряемая поверхность непосредственно нагревается бомбардирующими ее электронами.
Испарительное осаждение - это процесс вакуумного нанесения покрытий, при котором между испарителем и подложкой создается направленный поток пара.
Принцип электронно-лучевого испарения пояснен на рис. 2.1.
На этом рисунке цифрами обозначено: 1-электронная пушка, 2-электронный пучок, 3-водоохлаждаемый тигель, 4-кожух технологической камеры, 5-подложка, 6-поток пара, 7-насос, 8-испаряемый материал.
Электронно-лучевая плавка металлов
1 – электронная пушка; 2 – электронный пучок; 3 – плавильная камера; 4 – расплавляемый образец; 5 – выплавляемый слиток; 6 – охлаждаемый водой медный катализатор
Электронно-лучевой метод применяют для обработки тугоплавких и легко окисляемых на воздухе металлов и сплавов: вольфрама, молибдена, титана, меди, а также неметаллических материалов: рубина, керамики, кварца, ферритов, полупроводниковых материалов. Размерную обработку используют для прошивки отверстий диаметром 0,01 – 1 мм, прорезания пазов, вырезания деталей из тонколистовых заготовок по контуру, получения сеток из фольги и др. Кроме того, электронный луч широко применяют для сварки деталей из тугоплавких химически активных металлов и их сплавов (вольфрамовых, танталовых, молибденовых, ниобиевых, циркониевых и т.п.).