贗火花電子束的實驗研究及在金屬表面改性中的應用

霍衛(wèi)杰，胡 靜，曹曉彤，趙萬生

（ 上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240 ）

電子束技術(shù)廣泛應用于金屬表面改性領域，具有入射能量吸收效率高、熱變形小、可控性強、清潔無污染等特點[1-3]，高電流密度、高能量的脈沖電子束廣泛用于金屬及合金材料的表面處理[4-6]。 針對強流脈沖電子束表面改性的研究結(jié)果表明，電子束的電流及能量密度分布對材料的微觀特性及表面質(zhì)量具有很大的影響[7]。 為了提高材料表面質(zhì)量，采用控制加速電壓、輻照次數(shù)及輻照頻率等加工條件的方式來控制電子束[8-9]，并以此研究特定加工條件與材料表面質(zhì)量的關系。 但是已有的研究未對電子束本身的特性以及加工條件變化所引起的電子束參數(shù)變化情況進行討論。

贗火花電子束具有高電流密度、 低發(fā)射度、自聚焦輸送[10]以及對系統(tǒng)真空度要求低的特點，在材料處理方面具有誘人的應用前景[11]。 有學者將贗火花電子束應用于金屬材料的表面改性，使材料表面的微結(jié)構(gòu)及理化性能得到一定程度的改善[12]，然而并未深入討論贗火花電子束本身的特性以及電子束的性能參數(shù)如峰值電流、脈沖時間等與材料表面性能指標之間的關系。 為此，本文首先通過實驗研究了贗火花放電過程中擊穿電壓、電容、輸送空間氣壓和傳輸距離等外界參數(shù)對贗火花放電及電子束電流的影響，得到實驗結(jié)果可為電子束性能的控制提供參考；接著再進行加工實驗，探究了電子束參數(shù)對材料表面硬度性能的影響。

1 實驗裝置

1.1 光觸發(fā)多級贗火花電子束源

光觸發(fā)贗火花電子束源系統(tǒng)由氙氣閃光燈光觸發(fā)系統(tǒng)、5 間隙贗火花放電腔、高電壓供電系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成（圖1）。 5 間隙贗火花放電腔由空心陰極、5 個相互交替排列的中間電極及絕緣片、陽極組成，并通過絕緣螺釘進行緊固。 其中，中間電極的材料為黃銅，不僅導電性能優(yōu)良且相比于紫銅的電極損耗更少、電極孔在多次放電后變形?。恢虚g絕緣片的材料為有機玻璃，不僅能保證電極之間的絕緣，且相比于特氟龍材料具有更高的強度。 高電壓供電系統(tǒng)由直流高壓電源、20 MΩ 限流電阻、 高壓充電電容等構(gòu)成。 測量系統(tǒng)包括高壓探針、羅氏線圈電流傳感器、納秒級時間響應的法拉第杯[13]及帶寬為1 GHz 的示波器等。

圖1 光觸發(fā)多間隙贗火花電子束源

贗火花放電的光觸發(fā)通過六硼化鑭材料的光電效應實現(xiàn)。 將陰極電極背面粘接到六硼化鑭薄片上，氙氣閃光燈發(fā)出最小波長可達255 nm 的光，并透過真空紫外法蘭照射在功函數(shù)為2.4～3.2 eV 的六硼化鑭[14-15]表面產(chǎn)生光電子，從而觸發(fā)贗火花放電。 氙氣閃光燈的控制模塊可外接控制信號，控制輸出的光強和頻率，從而對贗火花電子束產(chǎn)生的延時和頻率進行控制。

1.2 實驗系統(tǒng)組成

贗火花電子束測量及表面改性實驗系統(tǒng)由光觸發(fā)多級贗火花電子束源、真空艙、三軸運動平臺及其控制系統(tǒng)、電機水冷系統(tǒng)等組成（圖2）。真空艙內(nèi)安裝三軸運動平臺，其中x 軸、y 軸由直線電機驅(qū)動，z 軸由伺服電缸驅(qū)動。 三軸運動平臺可實現(xiàn)工件的移動，及電子束測量設備（法拉第杯）的對中和軸向移動。 真空艙上的進氣口通過質(zhì)量流量計連接氣瓶，出氣口連接由機械泵、羅茨泵、分子泵組成的真空機組。 系統(tǒng)真空度由量程范圍不同的電阻規(guī)和電離規(guī)聯(lián)合測量。 真空艙上設有觀察窗、同軸電纜接口（電子束信號輸出）、高壓饋電口、水冷接口等。

直線電機和旋轉(zhuǎn)電機通過基于Ethercat 的伺服驅(qū)動器驅(qū)動， 而Ethercat 主站為裝有Twincat 控制程序的工控機。 通過Ethercat 總線的控制可提高控制效率和抗干擾能力。

圖2 贗火花電子束性能測量及表面改性實驗系統(tǒng)

2 實驗及結(jié)果分析

實驗時，先后開啟機械泵、羅茨泵、分子泵，將系統(tǒng)的真空度抽至10-3Pa； 抽真空半小時之后，關閉分子泵， 開啟質(zhì)量流量計向真空系統(tǒng)通入氬氣，并持續(xù)一段時間； 隨后調(diào)整質(zhì)量流量計的進氣量，維持到贗火花放電的氣壓后開始實驗。

2.1 放電演化實驗

贗火花電子束的產(chǎn)生與放電過程密切相關，而放電過程的演化則受氣壓的影響。 圖3 是不同氣壓下的贗火花放電電壓電流波形。 如圖3a 所示，當氣壓較高時，氣體放電呈現(xiàn)輝光放電的空心陰極放電模式，此時放電擊穿時間為600～800 ns，峰值放電電流為-16.8 A， 隨著氣壓下降和加載電壓的升高，放電向贗火花放電過渡。 如圖3b 所示， 當氣壓為2.1 Pa 時，放電持續(xù)時間縮小為400 ns，放電的電壓波形可區(qū)分為幾個放電階段，對應的放電電流波形存在明顯的兩個峰值，其中空心陰極階段的峰值放電電流可達到-23.6 A， 主間隙擊穿放電峰值電流為-21.08 A。如圖3c 所示，隨著氣壓的進一步降低，擊穿時間進一步縮短為不到100 ns，放電電流急劇升高，電流電壓波形上均疊加較大的噪聲，此時的峰值放電電流已達到-414.3 A。 如圖3d 所示，進一步增大加載電壓，放電擊穿時間已壓縮至幾十個納秒，放電電壓和電流波形呈現(xiàn)明顯的RC 諧振，此時的放電峰值電流已達到-3.3 kA。 由此可見，氣壓的變化會導致放電模式的顯著變化，而與輝光放電相比，贗火花放電極大地提高了放電電流，縮短了放電擊穿的時間。

控制氣壓范圍，維持圖3d 所示的放電狀態(tài)時，贗火花的擊穿電壓可達到10 kV 及以上，陽極孔產(chǎn)生的電子束能量最高可超過10 keV, 本文進一步研究該實驗條件下外界因素對電子束電流的影響。

2.2 電子束測量實驗

贗火花放電產(chǎn)生的電子束根據(jù)時間先后及能量分布特點可分為兩部分：一部分產(chǎn)生于空心陰極放電階段，電子能量接近初始的加載電壓，但電子束電流?。?另一部分產(chǎn)生于大電流主放電階段，電子能量為幾百電子伏特， 電子束電流可達幾千安培。 隨著氣壓的降低和擊穿電壓的增加，總的放電擊穿時間壓縮為幾十納秒，兩部分電子束波形逐漸合二為一。 利用阻值為1.73 Ω、納秒級時間響應的法拉第杯對電子束信號進行測量。 圖4 是擊穿電壓為25 kV、氣壓為1.4 Pa 時，贗火花放電的電壓、電流和距離陽極出口144 mm 處對應的電子束波形圖。 可見，擊穿電壓為25 kV 時的放電電流峰值可達-3.2 kA，放電擊穿在35.7 ns 內(nèi)發(fā)生。由于電子束的自聚焦輸送，放電產(chǎn)生的電子束波形的主峰半高寬為37.7 ns，在氬氣氛圍中傳播一定距離后，峰值電子束電流達到-1.49 A。

圖3 不同氣壓范圍內(nèi)的放電波形

2.2.1 電壓對電子束電流的影響

本實驗研究了擊穿電壓對電子束電流的影響。圖5 是充電電容為8000 pF、 電子束輸送空間氣壓為1.7 Pa 的條件下測得的實驗結(jié)果。 可見，當擊穿電壓由14 kV 增至22 kV 時，對應的電子束電流幅值從1.23 A 增至3.2 A，增加了2.6 倍，而電子束波形的半高寬由51.9 ns 增至61.9 ns。 隨著擊穿電壓的增加， 電子束的脈寬及峰值電子束電流也增加，即提高擊穿電壓有利于電子束的產(chǎn)生及輸送。 這是由于擊穿電壓越高，放電能量越大，一方面有更多電子在放電中產(chǎn)生，另一方面電子束的自聚焦輸送增強，輸送效率提高[16]。

圖4 放電電壓、電流和產(chǎn)生電子束波形

圖5 電壓對電子束電流的影響

2.2.2 電容對電子束電流影響

實驗研究了不同電容對放電電子束電流的影響。 圖6a 是擊穿電壓20 kV、氣壓1.7 Pa 及充電電容值分別為 2000、6000、8000、10 000 pF 時由法拉第杯測得的電子束波形。 當充電電容值由2000 pF增至10 000 pF 時, 電子束電流幅值由0.52 A 增至1.64 A，增加了3.15 倍；電子束電流波形的半高寬由42.8 ns 增至62 ns，增加了1.44 倍。因此，隨著充電電容值的增加，電子束電流值及脈寬持續(xù)時間均會增加。

實驗進一步研究不同放電電壓條件下充電電容對電子束電流幅值的影響。 如圖6b 所示，在實驗測量的放電電壓范圍內(nèi)，增加充電電容均可提高電子束電流幅值，這是由于相同電壓下，電容存儲的電荷量與電容值成正比，即電容值越大，充電過程中存儲的電荷量越多,電容儲能越大，越有利于電子束的產(chǎn)生。

圖6b 進一步說明，隨著擊穿電壓的增加，電容對電子束電流幅值的影響增加。 當充電電容值從2000 pF 增至 10 000 pF 時， 如擊穿電壓為 14 kV，電子束電流幅值從0.38 A 增至0.92 A，增加了2.42倍；如果擊穿電壓達到22 kV 時，電子束電流幅值從 0.56 A 增至 2.21 A，增加了 3.94 倍。 因此，同時提高充電電容和放電電壓，均有利于電子束產(chǎn)生。

圖6 氣壓為1.7 Pa 時電容對電子束電流的影響

2.2.3 氣壓對電子束電流影響

實驗還研究了氣壓對電子束電流的影響。 當擊穿電壓為20 kV、充電電容為8000 pF、電子束輸送空間氣壓分別為 0.9、1.2、1.7 Pa 時， 由法拉第杯測量得到的電子束波形見圖7a。 可見， 當氣壓值由0.9 Pa 增至1.7 Pa 時, 電子束電流幅值由0.37 A 增加到1.1 A，增加了2.97 倍；電子束電流波形的半高寬由45.5 ns 增至62 ns，增加了1.36 倍。因此，隨著電子束輸送空間氣壓的增加，電子束電流的大小及持續(xù)的脈寬均會增加。

實驗進一步研究了不同放電電壓下，氣壓對電子束電流幅值的影響。 如圖7b 所示，在實驗所測放電電壓范圍內(nèi)， 增加氣壓均可提高電子束峰值電流。 空心陰極放電階段產(chǎn)生的高能電子束會電離周圍的氣體，并產(chǎn)生二次電子和離子，隨著放電的進行， 在電子束負電勢作用下二次電子徑向移動，質(zhì)量更大的離子則相對靜止而形成離子通道，從而使電子束實現(xiàn)了自聚焦輸送。 在一定的氣壓范圍內(nèi)，氣壓越高，高能電子經(jīng)歷的碰撞電離越多，從而形成離子密度更高的離子通道，有利于電子束自聚焦輸送，提高了傳輸效率。 因此氣壓越高，電子束的輸送效率越高，可獲得更大的電子束電流。

圖7b 進一步說明，隨著氣壓的增加，電壓對電子束峰值電流的影響會減小。 當擊穿電壓從14 kV增至22 kV 時，如果氣壓為0.7 Pa 時，電子束電流幅值從0.22 A 增至 0.62 A，增加了 2.8 倍；如果氣壓達到1.7 Pa 時， 電子束電流幅值從0.74 A 增至1.59 A，增加了2.14 倍。 因此，提高輸送空間的氣壓有利于電子束的輸送。

圖7 電容為8000 pF 時氣壓對電子束電流的影響

2.2.4 傳輸距離對電子束電流影響

實驗研究了電子束傳輸距離對電子束電流的影響。 圖8a 是擊穿電壓25 kV、氣壓1.7 Pa 條件下分別于距離陽極電子束射出口144、164 mm 處測得的電子束波形。 由圖8a 可知，在距離陽極電子束射出口144 mm 處， 電子束波形的峰值電流和半高寬分別為-2.53 A 和59.6 ns； 在距離陽極電子束射出口164 mm 處， 電子束波形的峰值電流和半高寬分別為-1.30 A 和50.9 ns，即隨著傳輸距離的增加，電子束電流幅值和脈寬均會減小。

實驗還研究了不同擊穿電壓下傳播距離對電子束電流幅值的影響。 如圖8b 所示，隨著傳輸距離增加， 不同擊穿電壓下電子束電流幅值均會減??；隨著擊穿電壓的增加， 電子束電流減小得更加明顯。 當擊穿電壓為12 kV 時，在距離陽極電子束射出口144 mm 處所測電子束電流幅值為0.25 A，在距離陽極電子束射出口164 mm 處所測電子束電流幅值為0.18 A，減小了28%；當擊穿電壓增至25 kV時， 于距離陽極電子束射出口144 mm 處測得的電子束電流幅值為1.46 A，于距離陽極電子束射出口164 mm 處測得的電子束電流幅值為0.7 A，減小了52.1%。 因此，傳輸距離對電子束電流影響較大，距離越遠電子束損耗越大。

圖8 傳輸距離對電子束電流影響

2.3 電子束材料表面改性實驗

實驗研究了不同擊穿電壓下，贗火花電子束照射鋁材料表面的改性效果。 如圖9a 所示，將原始鋁材料圖像放大400 倍后可見其表面有一定劃痕，硬度測量結(jié)果顯示其維氏顯微硬度為63.1HV0.05。 當擊穿電壓為18 kV 時，鋁材表面會出現(xiàn)熔融后凝固的痕跡， 此時材料的表面硬度可達維氏顯微硬度76.8HV0.05；增加電壓至21 kV，由于電子加速能量增加，所轉(zhuǎn)化的熱能增加，熔融凝固后顆粒的尺寸增大， 此時材料的表面硬度為維氏硬度81.7HV0.05；進一步增加擊穿電壓至25 kV，鋁材表面熔融凝固部分尺寸已經(jīng)和壓痕相當, 此時材料表面硬度已達到維氏硬度85.09 HV0.05。

實驗結(jié)果表明：隨著擊穿電壓的增加，材料的表面硬度增大，但表面粗糙度值會相應增加。 根據(jù)實測的電壓和電子束波形可得到工藝參數(shù)。 電子束參數(shù)和鋁材表面硬度相對應的情況見表1。

3 結(jié)束語

本文通過實驗研究了擊穿電壓、電容、輸送空間氣壓和傳輸距離等外界工藝參數(shù)對贗火花電子束電流的影響，定量討論了工藝參數(shù)變化引起的電子束電流波形參數(shù)的變化。 研究結(jié)果表明：增大擊穿電壓、增加電容、提高氣壓均有利于電子束的產(chǎn)生及輸送；隨著傳輸距離的增加，電子束電流會很快地衰減。 最后還進行了贗火花電子束的表面改性實驗，建立了工藝參數(shù)、電子束電流參數(shù)與材料表面硬度的對應關系，且進一步研究時將電子束抽象為熱源模型，建立了與材料表面理化性能改變的內(nèi)在關系。 本文的研究成果可用于指導電子束材料表面改性的工藝研究。

表1 工藝參數(shù)-電子束參數(shù)-表面性能結(jié)果表

圖9 贗火花電子束輻照6061 鋁材表面硬度測試實驗