電子束表面改性技術(shù)質(zhì)量控制與性能影響分析

于 斌，劉志棟，靳慶臣，何 俊，程 彬

（蘭州物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

電子束表面改性技術(shù)主要包括電子束涂層熔覆、涂層重熔和表面熔凝，即通過(guò)電子束對(duì)材料表面熔覆涂層、對(duì)原有涂層重熔、對(duì)材料表面快速熔凝，以獲取具有獨(dú)特性能的表面改性層。電子束表面改性技術(shù)首先要解決的問(wèn)題就是裂紋、氣孔等缺陷。影響缺陷產(chǎn)生的因素較多，電子束對(duì)材料表面性能影響的機(jī)理也復(fù)雜。作者就電子束對(duì)改性層性能影響的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

2 電子束表面改性質(zhì)量研究分析

2.1 裂 紋

Hideki指出涂層裂紋受電子束改性工藝參數(shù)影響較大[1]。圖1（a）顯示了重熔涂層的典型缺陷，包括氣孔、裂紋、涂層未熔透和表面不平整等缺陷。該裂紋從涂層/基體界面開(kāi)裂，沿涂層擴(kuò)展。原因是電子束重熔后所形成的熔池區(qū)域的溫度梯度大，涂層內(nèi)部和涂層/基體間熱應(yīng)力較大，從而產(chǎn)生裂紋。Zenker指出，涂層結(jié)構(gòu)對(duì)電子束重熔后裂紋的產(chǎn)生有很大影響，高韌性的結(jié)晶組織可以降低裂紋應(yīng)力集中，抑制裂紋擴(kuò)展。不同化合物涂層對(duì)裂紋形成的抑制能力由弱到強(qiáng)依次為CrN、TiN、TiCN、TiAlN。重熔層表面裂紋產(chǎn)生的方向與電子束重熔方向平行。圖1（b）和（g）分別為金屬陶瓷重熔層截面裂紋和表面裂紋形貌[2]。Kyuhong指出Zr基非晶合金粉末中添加助熔劑有利于重熔涂層組織結(jié)構(gòu)均勻，抑制裂紋的產(chǎn)生[3]；圖1（c）為Zr基非晶電子束熔覆涂層，裂紋產(chǎn)生主要由于涂層與基體之間物理性能及化學(xué)成分的差異。Jun指出，無(wú)助熔劑添加的TiB2和TiC涂層電子束熔覆后產(chǎn)生裂紋、氣孔、粉料聚集等缺陷，如圖1（d），添加助熔劑有利于提高電子束熔覆層的組織均勻性[4]。Utu對(duì)HVOF噴涂MCrAlY涂層電子束重熔進(jìn)行了研究[5]，重熔速率降低有利于減少涂層氣孔及孔隙，使涂層組織細(xì)化、均勻性提高，圖1（e）為重熔速率較快的涂層缺陷特征。Riccardis指出電子束重熔金屬陶瓷涂層導(dǎo)致陶瓷組織燒結(jié)收縮[6]，合理控制金屬陶瓷涂層燒結(jié)收縮作用是解決重熔層裂紋產(chǎn)生的有效措施。圖1（f）為AlZl金屬陶瓷涂層重熔后產(chǎn)生燒結(jié)收縮程度過(guò)大而導(dǎo)致表面裂紋。316L不銹鋼電子束表面合金化研究表明[7]，合金層在冷卻過(guò)程中受到拉應(yīng)力，室溫下存在很高的殘余應(yīng)力，涂層產(chǎn)生表面裂紋，如圖1（h）。作者對(duì)硅化物涂層電子束重熔裂紋防治技術(shù)進(jìn)行了初步研究。電子束重熔對(duì)金屬陶瓷涂層進(jìn)行二次燒結(jié)，涂層快速熔化凝固產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大，涂層燒結(jié)收縮程度受電子束工藝參數(shù)和電子束掃描能量分布的均勻程度影響較大。圖1（i）為硅化物涂層電子束重熔后產(chǎn)生表面裂紋形貌，主要由于電子束作用后，涂層和涂層/基體的結(jié)合界面及基體發(fā)生了較大程度差異的凝固收縮、涂層表面燒結(jié)收縮程度過(guò)大時(shí)，導(dǎo)致表面裂紋產(chǎn)生。

圖1 電子束熔覆涂層裂紋防治研究結(jié)果對(duì)比圖

圖2 電子束熔覆涂層中氣孔防治研究結(jié)果對(duì)比圖

2.2 氣孔

電鍍法制備的鎳基涂層電子束重熔研究表明[1]，隨著重熔速率降低或掃描頻率的提高，涂層中氣孔含量減少，如圖2（a）所示。重熔速率降低，金屬熔化凝固時(shí)間和氣體釋放時(shí)間增加，電子束在波形范圍內(nèi)高頻掃描對(duì)涂層表面電子束熔池起到攪拌作用，有利于氣體放出。TiC涂層電子束熔覆研究表明[8]，由于合金化粉料熔化不完全及粉料聚集導(dǎo)致涂層中有氣孔產(chǎn)生，如圖2（b）。在TiC粉料中添加助熔劑，有利于提高重熔層組織均勻性，減少氣孔，如圖2（c）上圖和下圖分別為不添加和添加40%助熔劑的重熔層截面形貌[9]。電子束氣相沉積（EB-PVD）制備MCrAlY涂層電子束重熔研究表明[5]，電子束重熔后涂層近表面區(qū)域氣孔消除，如圖2（d）上圖和下圖分別為原涂層和重熔后涂層。HVOF制備CoNiCrAlY涂層的研究表明，電子束重熔對(duì)熱噴涂涂層中氣孔和層狀結(jié)構(gòu)的消除有顯著作用，如圖2（e）。電子束重熔CoCrW涂層研究表明[10]，重熔處理是原等離子噴涂層熔化和重新凝固的過(guò)程，重熔后，原噴涂層的層間氧化物、孔隙以及層狀結(jié)構(gòu)得到了消除。重熔層組織非常細(xì)小，具有快速凝固的組織特征，如圖2（f）上圖和下圖分別為原涂層和重熔后涂層。

2.3 表面粗糙度

Akira利用強(qiáng)流脈沖電子束對(duì)鈦合金表面熔凝處理進(jìn)行了研究[11]，隨著脈沖電子束能量密度的增加，鈦合金表面粗糙度降低，其關(guān)系如圖3（a）所示。原涂層和用能量密度為5.8 J/cm2和9.6 J/cm2電子束處理的涂層表面粗糙度如圖3（h）所示。電子束重熔速率和電壓升高，重熔后涂層表面粗糙度增加[1]，其關(guān)系如圖3（b）所示，電壓升高，電子束能量密度提高，涂層表面熔池熔化較劇烈，重熔速率提高，熔化凝固時(shí)間縮短，液態(tài)金屬流動(dòng)能力降低。MCrAlY涂層脈沖電子束重熔研究表明[12]，電子束重熔可以顯著降低涂層表面粗糙度，MCrAlY為熱障涂層與基體之間的粘結(jié)層，電子束重熔處理后進(jìn)行EBPVD制備熱障涂層，提高了熱障涂層的組織結(jié)構(gòu)均勻性及抗氧化性能。Okada對(duì)鋼表面強(qiáng)流脈沖電子束表面轟擊進(jìn)行了研究[13]，隨脈沖次數(shù)增加，表面粗糙度降低，能量密度為9 J/cm2和12 J/cm2時(shí)，初始轟擊后粗糙度變化較明顯。圖3（c）為鋼表面粗糙度與電子束能量密度和轟擊次數(shù)之間的關(guān)系。鋼表面脈沖電子束表面熔凝處理研究表明[14]，處理后鋼表面粗糙度降低，抗腐蝕性能提高，如圖3（d）所示，表面由于脈沖電子束特殊作用機(jī)制導(dǎo)致熔坑產(chǎn)生。TiCN、TiAlN金屬陶瓷涂層電子束表面重熔研究表明[2]，電子束處理導(dǎo)致重熔層變形方向垂直于電子束作用區(qū)域，如圖3（e）所示。電子束重熔HVOP制備抗氧化涂層研究表明[15]，電子束重熔后近表面粗糙度降低，涂層未全熔而導(dǎo)致遠(yuǎn)離表面處原噴涂層的層狀缺陷未消除，如圖3（f）所示。作者對(duì)硅化物涂層電子束重熔對(duì)表面粗糙度的影響進(jìn)行了初步研究。電子束對(duì)表面粗糙度影響機(jī)理如下：（1）電子束重熔使金屬陶瓷涂層重新熔化凝固，表面凸起陶瓷顆粒首先被熔化而凝固為細(xì)小顆粒，熔化金屬由于重力作用填補(bǔ)顆粒之間的空隙，使得凸起顆粒消除和凹陷部位生長(zhǎng)；（2）電子束高頻掃描，合理設(shè)計(jì)掃描波形，在掃描波形范圍內(nèi)能量輸入均勻，表面熔池各區(qū)域熔化溫度相近，熔池液態(tài)金屬流動(dòng)性相近，金屬元素?cái)U(kuò)散均勻，凝固后組織結(jié)構(gòu)均勻；（3）電子束在波形范圍內(nèi)高頻掃描相當(dāng)于對(duì)涂層表面熔池的攪拌作用，提高了涂層表面熔池的流動(dòng)性，液態(tài)金屬流向凹陷部位的能力增強(qiáng)，有助于提高涂層表面平整度。

圖3 電子束熔覆涂層表面粗糙度控制研究結(jié)果對(duì)比圖

2.4 改性層/基體結(jié)合強(qiáng)度

電子束重熔金屬陶瓷涂層中涂層/基體結(jié)合強(qiáng)度研究表明，涂層/基體剪切強(qiáng)度隨涂層硬度增加而增加，涂層/基體結(jié)合強(qiáng)度與涂層化學(xué)成分和硬度無(wú)關(guān)，如圖4（a）所示[1]。Riccardis對(duì)原金屬陶瓷涂層和重熔層粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)[6]，結(jié)果表明，重熔后涂層/基體結(jié)合強(qiáng)度提高，如圖4（b）上圖和下圖分別為處理前后的試驗(yàn)結(jié)果，處理后涂層結(jié)合強(qiáng)度由原來(lái)的46 kPa提高到3 MPa。作者對(duì)硅化物涂層電子束重熔對(duì)涂層/基體冶金結(jié)合進(jìn)行了初步研究。利用優(yōu)化的電子束重熔工藝處理后，涂層厚度由150 μm降低到110 μm，電子束掃描加熱使涂層全熔和基體微熔，促進(jìn)了涂層/基體的元素?cái)U(kuò)散，增強(qiáng)了涂層和基體的冶金結(jié)合，如圖4（c），A1、B1和A2、B2分別為電子束重熔處理前后的涂層截面形貌。通過(guò)對(duì)涂層/基體界面應(yīng)用能譜分析表明，冶金結(jié)合區(qū)寬化，電子束重熔處理后硅化物涂層抗熱振性能提高，分析認(rèn)為，由于涂層/基體冶金區(qū)加寬，在熱振過(guò)程中，冶金過(guò)渡區(qū)協(xié)調(diào)變形能力提高，對(duì)熱應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋形核及擴(kuò)展起到了更強(qiáng)的抑制作用。涂層/基體結(jié)合強(qiáng)度是影響涂層壽命的主要因素之一，電子束微熔涂層近表面時(shí)，只能對(duì)涂層上表面進(jìn)行改性處理，對(duì)涂層/基體結(jié)合強(qiáng)度影響甚微；當(dāng)涂層全熔和基體熔化過(guò)度時(shí)，又因基體對(duì)涂層化學(xué)成分的稀釋作用導(dǎo)致涂層性能下降。因此，在改善涂層性能的同時(shí)又能夠進(jìn)一步提高其結(jié)合強(qiáng)度是電子束重熔工藝研究的必要條件之一。

圖4 電子束熔覆涂層/基體結(jié)合強(qiáng)度研究結(jié)果對(duì)比圖

3 電子束熔覆涂層性能研究

3.1 抗氧化性能

Wellman對(duì)HVOF制備的MCrAlY涂層進(jìn)行了電子束重熔試驗(yàn)[16]。研究表明，MCrAlY涂層電子束重熔后增強(qiáng)了涂層對(duì)氧原子的阻擋能力，經(jīng)過(guò)1 150℃熱循環(huán)試驗(yàn)，涂層重熔前后抗熱循環(huán)次數(shù)由471次提高至921次，圖5（a）顯示了涂層重熔前后在氧化過(guò)程中的涂層厚度變化，重熔后氧化速率顯著降低。鋼的強(qiáng)流脈沖電子束表面快速滲鋁研究表明[17]，電子束熔覆處理后，20鋼和H13鋼的抗氧化性能增強(qiáng)，表面合金化程度和抗氧化性能隨脈沖次數(shù)提高而提高，如圖5（b）為20鋼和H13鋼的處理前后的氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)。MCrAlY涂層作為ZrO2熱障涂層（TBC）與基體之間的粘結(jié)層，原涂層在950℃高溫、100 h氧化試驗(yàn)后，粘結(jié)層產(chǎn)生膨脹多孔氧化物，破壞了TBC涂層與基體的良好結(jié)合，電子束重熔處理后，TBC涂層中產(chǎn)生均勻致密的氧化鋁，抗氧化性能提高，如圖5（c），涂層重熔前后的高溫氧化試驗(yàn)后的截面形貌[15]。Rizzi對(duì)MCrAlY涂層電子束重熔進(jìn)行了研究[12]，重熔處理后，涂層氧化速率降低，如圖5（d）為涂層重熔前后在950℃經(jīng)200 h高溫氧化試驗(yàn)后的截面形貌。Muller研究了脈沖電子束重熔LPPS涂層對(duì)抗氧化性能的影響[18]，未處理的MCrAlY涂層經(jīng)過(guò)高溫氧化試驗(yàn)后，涂層表面產(chǎn)生孔隙和脫落現(xiàn)象，而電子束重熔后表面產(chǎn)生均勻致密的氧化鋁層，圖5（e）為涂層重熔前后的高溫氧化后的表面形貌。電子束重熔磁控濺射沉積NiCoCrAlY涂層的高溫氧化行為研究表明[19]，電子束重熔使NiCoCrAlY涂層與基體形成組分梯度變化的混合層，提高了涂層與基體的結(jié)合程度，使涂層更有利于1 100℃的工況操作。鎳基高溫合金電子束表面熔凝研究表明[20]，隨著電子束能量密度的降低，熔凝層組織明顯細(xì)化，表面熔凝層具有較好的抗高溫氧化能力，熔凝層的晶粒細(xì)化和細(xì)小的氧化膜有利于釋放氧化膜應(yīng)力，使氧化膜不易剝落。作者對(duì)硅化物涂層電子束重熔對(duì)涂層的抗氧化性能進(jìn)行了初步研究[21]。電子束重熔可以提高涂層組織致密度，增強(qiáng)陶瓷涂層燒結(jié)，有利于提高其抗氧化性能，但需對(duì)電子束重熔產(chǎn)生的涂層燒結(jié)收縮作用嚴(yán)格控制。金屬陶瓷涂層重熔后極易在表面產(chǎn)生裂紋，并使涂層減薄，從而導(dǎo)致抗氧化涂層有效厚度降低，優(yōu)化電子束工藝參數(shù)、合適的熔前預(yù)熱和熔后緩冷處理工藝、電子束良好的掃描特性以及能量分布均勻的掃描波形是抑制電子束重熔負(fù)面影響和提高硅化物抗氧化性能的有效途徑。

圖5 電子束熔覆涂層抗氧化性能研究結(jié)果對(duì)比圖

3.2 耐磨損性能

Kyuhong對(duì)純銅基體[22]、純鈦基體[23，24]電子束熔覆Zr基非晶合金涂層、碳鋼基體[25]電子束熔覆Fe基非晶合金涂層的耐磨性能進(jìn)行了研究。純銅基體電子束熔覆ZrTiCu1NiBe非晶合金涂層研究表明，電子束熔覆有利于提高涂層組織均勻性和非晶合金玻璃形成能力（GFA）、細(xì)化晶粒、減少涂層組織中的晶體相。純鈦基體電子束熔覆Zr基非晶合金涂層ZrTiNbCuNiBe研究表明，非晶涂層中晶體相的硬度和其在涂層中的分布對(duì)涂層硬度及耐磨損性有很大影響，非晶涂層/基體的結(jié)合強(qiáng)度較高，涂層硬度較高，具有較好的耐磨損性能。碳鋼基體電子束熔覆FeCrNiCoMoB非晶合金涂層研究表明，涂層的耐磨損性能取決于金屬間硼化物體積分?jǐn)?shù)、涂層硬度、馬氏體組織含量、涂層厚度，馬氏體組織含量提高，涂層耐磨性升高，斷裂韌性下降，涂層應(yīng)進(jìn)行退火處理，以降低馬氏體組織和涂層殘余應(yīng)力的負(fù)面影響。韓國(guó)宇航材料中心Jongmin、Jun、Sunghak等對(duì)Ti-10V-2Fe-3Al鈦合金基體電子束熔覆TiB2涂層[4]、Ti-6Al-4V鈦合金基體電子束熔覆 TiN、TiC、TiB2、MoB 涂層[26]、SiC+TiC 和 SiC+Ti涂層[27]，304 不銹鋼基體電子束熔覆 TiC、（Ti+C）和（Ti+SiC）涂層[8]、316L不銹鋼基體電子束熔覆Cr3C2、CrB和 CrB+Cr涂層[28]的耐磨損性能進(jìn)行了研究，Ti-10V-2Fe-3Al電子束熔覆TiB2涂層中生成體積分?jǐn)?shù)為35%的TiB相，涂層具有較高的硬度，在涂層/基體界面區(qū)域硬度顯著下降；Ti-6Al-4V電子束熔覆研究表明，改性層抗磨損性能受相對(duì)較硬的硬質(zhì)相的體積分?jǐn)?shù)影響較大，硬質(zhì)相形狀對(duì)熔覆層磨損性能有一定的影響，其中針狀Ti5Si3相在磨損過(guò)程中較容易斷裂；304不銹鋼電子束熔覆TiC、（Ti+C）研究表明，熔覆涂層硬度是原鋼基體的2～3倍，初生相TiC對(duì)涂層硬度和耐磨性有直接影響，共晶TiC和Cr23C6作用較??；304不銹鋼電子束熔覆（Ti+SiC）研究表明，進(jìn)一步提高涂層耐磨損性能的有效途徑是對(duì)涂層成分的改進(jìn)。

高速鋼表面強(qiáng)流脈沖電子束轟擊試驗(yàn)研究表明[29]，電子束輻照降低了鋼表面摩擦系數(shù)，鋼表面晶粒細(xì)化，抗磨損性能增強(qiáng)。鎳基合金表面電子束熔覆SiC涂層研究表明[30]，涂層中的大量SiC硬質(zhì)相起到了阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，涂層硬度增強(qiáng)。CrMo鋼電子束表面熔覆Al涂層研究表明[31]，隨著電子束加速電壓和熔化時(shí)間的提高，涂層表面硬度提高。電子束重熔CoCrW涂層研究表明[10]，等離子噴涂層重熔后消除了層間氧化物和孔隙等疲勞裂紋源，有效抑制疲勞裂紋擴(kuò)展速度，涂層晶粒組織細(xì)化而提高了塑性和韌性，重熔層的抗微動(dòng)磨損性能顯著提高。SKD11鋼強(qiáng)流脈沖電子束處理研究表明[32]，處理樣品的截面顯微硬度呈特殊的振蕩式分布，脈沖次數(shù)為8次時(shí)處理樣品的耐磨性達(dá)到最佳。AZ91HP鎂合金脈沖電子束表面熔凝研究表明[33]，隨脈沖次數(shù)增加，熱影響區(qū)深度增大，深度方向顯微硬度隨深度增加而提高，熔凝層磨損體積減小，相對(duì)耐磨性提高。AlPb合金脈沖電子束表面改性研究表明[34]，熔凝后組織結(jié)構(gòu)得到改善，最大硬度出現(xiàn)在亞表層，改性層表面為低磨損。H13強(qiáng)流脈沖電子束表面改性研究表明[35]，處理后試樣的最表層發(fā)生熔化，晶粒明顯細(xì)化，耐磨性也分別提高了11.6倍。

3.3 抗腐蝕性能

碳鋼表面電子束熔覆FeCrNiCoMo涂層耐腐蝕性能研究表明[36]，雙層熔覆涂層抗腐蝕性能最強(qiáng)，腐蝕電流密度最低，涂層主要在Cr2B金屬間化合物附近發(fā)生選擇性腐蝕。DZ4鋼脈沖電子束表面熔凝研究表明[37]，由于脈沖電子束獨(dú)特作用機(jī)制對(duì)鋼表面進(jìn)行凈化處理，提高了鋼的抗腐蝕性能。Rotshtein研究了低能強(qiáng)流脈沖電子束輻照對(duì)奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能的影響[38]，隨轟擊次數(shù)增加，鋼表面粗糙度降低，鋼抗腐蝕性能增強(qiáng)。純鎂強(qiáng)流脈沖電子束表面合金化研究表明[39]，表面合金化后，Mg的溶解速度降低，使表面形成致密的氧化膜，隔離基體，導(dǎo)致鎂的腐蝕速率降低。316L不銹鋼脈沖電子束表面轟擊研究表明[40]，電子束轟擊對(duì)鋼表面進(jìn)行選擇性?xún)艋?，其?0次轟擊后近表層的MnS夾雜物被清除、轟擊次數(shù)較少產(chǎn)生的火山坑消除、熔化層平整，抗腐蝕性最佳。利用贗火花放電裝置產(chǎn)生的電子束轟擊65Mn鋼的研究表明[41]，熔化區(qū)溫度梯度較大，中央位置冷速最大，注入?yún)^(qū)不同位置的顯微結(jié)構(gòu)和成分出現(xiàn)差異，注入?yún)^(qū)抗腐蝕性高于未處理區(qū)。鈦合金表面強(qiáng)流脈沖電子束表面改性研究表明[11]，電子束轟擊后鈦合金表面組織細(xì)化并產(chǎn)生了部分非晶組織，腐蝕電流密度顯著降低，提高了抗腐蝕性能。

3.4 斷裂韌性

Lee研究了回火對(duì)碳鋼表面VC電子束熔覆層斷裂韌性的影響[42]，回火處理提高了改性層中馬氏體的韌性，對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙作用增大，斷裂韌性提高。圖6（a）中1、2和3、4分別表示涂層未回火和回火處理樣件的斷裂韌性試驗(yàn)裂紋擴(kuò)展情況。圖6（a）1、2說(shuō)明在較低應(yīng)力和基體馬氏體未變形的情況下裂紋延晶間迅速擴(kuò)展，涂層組織對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙作用很??；圖6（a）3、4說(shuō)明經(jīng)過(guò)回火處理后，組織韌性提高，裂紋遇到韌性較強(qiáng)的回火馬氏體后停止擴(kuò)展。Ti-6Al-4V鈦合金表面TiC、SiC電子束合金化改性層斷裂韌性試驗(yàn)研究表明[43]，改性層斷裂韌性隨硬質(zhì)相體積分?jǐn)?shù)增加而降低，在硬質(zhì)相區(qū)域開(kāi)裂，硬質(zhì)相體積分?jǐn)?shù)增加，微裂紋數(shù)量增加，微裂紋之間間距減小，基體對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻力減小及導(dǎo)致改性層斷裂韌性降低。如圖6（b）左圖為SiC涂層，熔覆層硬質(zhì)相體積分?jǐn)?shù)較高，裂紋擴(kuò)展速度和裂紋長(zhǎng)度大于TiC熔覆層；右圖為T(mén)iC熔覆層裂紋擴(kuò)展過(guò)程有剪切帶形成，說(shuō)明斷裂韌性高于SiC熔覆層。Euh對(duì)碳鋼表面VC電子束合金化改性層回火處理進(jìn)行了研究[44]，電子束輻照后所形成的熔池區(qū)域溫度梯度很大，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力容易使樣件發(fā)生扭曲變形，經(jīng)過(guò)550℃回火處理有利于降低改性層殘余應(yīng)力及提高其斷裂韌性。圖6（c）為碳鋼表面VC電子束合金化改性層變形趨勢(shì)。

圖6 電子束熔覆涂層斷裂韌性研究結(jié)果對(duì)比圖

4 電子束表面改性

電子束焊機(jī)可作為電子束表面改性的電子束發(fā)生裝置[45]，如圖7（a）所示。電子束焊接設(shè)備主要組成部分有電子槍、工作真空室、工作臺(tái)、高壓電源、控制及真空系統(tǒng)等。合理的電子束工藝參數(shù)可以用于材料表面改性，通過(guò)電子束按設(shè)計(jì)波形高頻掃描以保證較均勻的能量分布。電子束焊機(jī)掃描控制系統(tǒng)需進(jìn)行改造，以保證具有較好的高頻掃描能力和束斑質(zhì)量[46]。電子束掃描控制系統(tǒng)研究表明[47]，通過(guò)設(shè)計(jì)可編程電子束掃描控制系統(tǒng)，能夠使電子束受控的偏擺產(chǎn)生任意圖形，該系統(tǒng)對(duì)能量分布可精確調(diào)節(jié)，適用于電子束表面改性技術(shù)。M.bahr對(duì)電子束掃描波形及電子束掃描控制進(jìn)行了研究[48]，研究表明，電子束波形范圍內(nèi)能量分布與波形軌跡密切相關(guān)，通過(guò)對(duì)電子束掃描控制系統(tǒng)的改進(jìn)，可以提高電子束表面改性表面溫度場(chǎng)的均勻性。

強(qiáng)流脈沖電子束可作為電子束表面改性的電子束發(fā)生裝置[49]，如圖7（b）所示。主要由電子槍、真空系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)等幾部分組成。高壓脈沖發(fā)生器生成的電子加速電壓加在陰極上，等離子體二極管中產(chǎn)生爆炸電子發(fā)射，得到強(qiáng)流脈沖電子束。Engelko介紹了用于表面改性的電子束設(shè)備（GESA）[50]，GESA設(shè)備具有脈沖間隔控制單元（PDCU），有利于束流參數(shù)的調(diào)節(jié)和嚴(yán)格控制束流能量均勻性，多點(diǎn)式發(fā)射陰極（MPC）使其具有大面積電子束處理功能；高壓發(fā)生器（HVG）可以使電子束斑具有很好的均勻性。圖7（c）為GESA設(shè)備原理示意圖。

圖7 電子束表面改性設(shè)備示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）電子束表面改性是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)和冶金過(guò)程，影響缺陷形成和表面性能的因素眾多，需綜合考慮。電子束涂層熔覆、涂層重熔、材料表面強(qiáng)化等過(guò)程中改性機(jī)理不同，連續(xù)掃描電子束和脈沖電子束與材料作用機(jī)理也不同，開(kāi)展電子束表面改性技術(shù)的前提條件是準(zhǔn)確把握改性機(jī)理，以確定關(guān)鍵影響因素。

（2）缺陷防治是電子束表面改性技術(shù)開(kāi)展的起步工作，在電子束表面強(qiáng)化技術(shù)中，應(yīng)主要從電子束工藝參數(shù)優(yōu)化、熔前預(yù)熱及熔后緩冷等措施入手；在電子束涂層熔覆中，應(yīng)考慮涂層成分、涂層厚度、涂層熔化均勻情況、涂層與基體的物理化學(xué)反應(yīng)、涂層與基體的熱物理性能、電子束工藝參數(shù)優(yōu)化、熔前預(yù)熱及熔后緩冷等因素。

（3）電子束是一種提高材料表面性能的有效方法，通過(guò)電子束熔覆一層特定功能的表面涂層以提高材料的表面性能，利用電子束快速熔化和凝固的特點(diǎn)對(duì)涂層或材料表面進(jìn)行改性，其中可對(duì)涂層表面微熔或涂層全熔和基體微熔，以達(dá)到對(duì)涂層不同的改性目的。

（4）電子束發(fā)生裝置決定了電子束的束斑質(zhì)量，對(duì)于連續(xù)掃描電子束，電子束焊機(jī)應(yīng)具有較好的掃描特性，以保證在波形范圍內(nèi)溫度場(chǎng)均勻；對(duì)于脈沖電子束，其設(shè)備應(yīng)保證產(chǎn)生具有較高均勻性的大面積束斑。從目前國(guó)內(nèi)外研究來(lái)看，連續(xù)掃描電子束用于涂層熔覆和涂層重熔的研究較多，脈沖電子束在材料表面強(qiáng)化和材料表面合金化的研究較多，這也是由于兩者作用機(jī)理不同和作用于材料時(shí)熔化深度不同而導(dǎo)致適用于不同的表面改性途徑。

（5）電子束表面改性技術(shù)已取得了初步的理論研究成果并在某些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了實(shí)際應(yīng)用，但目前電子束表面改性機(jī)理尚需進(jìn)一步研究，其中包括：電子束與材料的作用機(jī)理，電子束作用下材料熔池內(nèi)部的傳熱、傳質(zhì)、流動(dòng)，材料相變的物理化學(xué)過(guò)程等。解決該問(wèn)題的主要手段應(yīng)采取計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，建立各種所需理論模型，通過(guò)試驗(yàn)研究加以修正，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束表面改性過(guò)程的準(zhǔn)確把握和控制。

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