Электротехнологические установки (стр. 25 из 32)

Плавильные ЭЛУ применяются главным образом для переплавки стали, молибдена, ниобия и других тугоплавких и химически активных металлов. Их мощность составляет от 50 (в лабораторных условиях) до 2000 кВт. Сварочные ЭЛУ с особо остросфокусированным лучом работают при ускоряющем напряжении 70-100 кВ.

Для питания ЭЛУ используются высоковольтные источники питания постоянного тока. Они состоят из повышающих трансформаторов и высоковольтных выпрямителей, собираемых на тиратронах, селеновых элементах или кремниевых диодах. На крупных установках для стабилизации тока пучка применяются параметрические источники тока.

Катод является одним из основных узлов электронной пушки. Для них катоды изготовляют из тугоплавких металлов (W, Та, Мо), оксидов редкоземельных металлов (Zr, Lа), а также интерметаллических соединений, например гексаборида лантана. Металлические катоды прямого нагрева применяются при небольших токах эмиссии (до 20 мА), а косвенного нагрева — при больших токах (100-200 мА). Заданная сходимость электронного луча обеспечивается подбором конфигурации катодного электрода и анода. После прохождения анода электроны движутся в пространстве, в котором отсутствует электрическое поле. Поскольку электронный луч обладает объемным пространственным зарядом, вследствие столкновения электронов происходит расфокусировка луча. Поэтому после электростатической фокусировки луч фокусируется также электромагнитной линзой, которая представляет собой катушку в магнитопроводе, питающуюся от выпрямителя, обеспечивающего стабильное напряжение и минимальную пульсацию.

Из всех видов электрических печей ЭЛУ являются наиболее сложным комплексом электротехнического оборудования. В системах электроснабжения ЭЛУ выделяются основные и вспомогательные цепи. К основным относятся цепи накала катода, питания преобразователя постоянного тока, а также цепи питания, получения, измерения и контроля вакуума; к вспомогательным - цепи фокусировки, отклонения и развертки электронного луча.

Системы питания ЭЛУ и обеспечения вакуума должны работать надежно и стабильно, поскольку от этого зависит качество переплавляемого материала. В состав электромеханического комплекса входят рабочая камера, вакуумная система, системы позиционирования и перемещения заготовки, система наблюдения за ходом процесса, система защиты оператора от рентгеновского излучения и ряд вспомогательных устройств и механизмов.

Вакуумная камера как базовый элемент ЭЛУ определяется видом осуществляемого технологического процесса и является одним из наиболее важных и сложных узлов электромеханического комплекса. Камера должна быть герметичной, механически прочной и жесткой. Материал камеры должен поглощать рентгеновское излучение.

Основная функция вакуумной системы - создание и поддержание в рабочем объеме и в электронной пушке необходимого вакуума, поскольку давление в зоне взаимодействия электронного луча с обрабатываемым изделием должно составлять 10^-1-10^-4 Па.

Конструкция систем позиционирования и перемещения заготовок определяется видом операции. Наиболее просты устройства, применяемые при электронно-лучевой плавке (вытягивание слитка). Самые сложные системы используются при размерной обработке - они обеспечивают 5-6 видов различных перемещений с погрешностью позиционирования 1-5 мкм.

10.3. Технологическое применение электронно-лучевого нагрева

Основные технологические операции электронно-лучевой обработки можно

условно подразделить на четыре группы: плавка (технологические операции плавки в вакууме, локального переплава); испарение (испарение в вакууме, размерная обработка электронным лучом); термообработка (без изменения агрегатного состояния вещества); сварка.

Плавка электронным лучом в вакууме применяется в тех случаях, когда необходимо получить особо чистые металлы. Она имеет преимущества перед плавкой в вакуумных дуговых и индукционных печах, поскольку позволяет производить рафинирование жидкого металла в ванне после прекращения плавления электрода, а также осуществлять другие физико-химические процессы, которые при иных методах плавки не успевают проходить полностью или не протекают вообще. Переплавляемый материал может быть использован практически в любой форме (шихта, пруток, лом, спеченные штабики, губка). Таким образом, основные параметры, определяющие размеры участка, расплавляемого электронным лучом, определяются теплопроводностью и температурой плавления.

Важную роль при электронно-лучевой плавке играет вакуум:

1. В вакууме происходит интенсивное удаление растворенных в металле газов, что значительно улучшает его механические свойства, особенно пластичность. Многие сплавы на основе вольфрама, молибдена, ниобия и других химически активных металлов получили промышленное применение только благодаря тому, что их выплавляют в вакууме.

2. Некоторые из вредных примесей (нитриды, карбиды, оксиды) при нагреве в вакууме разлагаются, при этом происходит вакуумное рафинирование переплавляемого металла.

3. При плавке металла в вакууме непрерывно происходит удаление газообразных продуктов из зоны реакции.

Электронно-лучевая плавка удобна при выращивании монокристаллов

(рис. 10.6), когда на затравку 2 наплавляется материал 5 из тигля 7 и вытягивается с заданной скоростью вертикально вверх с получением монокристалла 3.

На различных ЭЛУ для плавки в вакууме при давлении 10^-4-10-⁷ Па получают слитки массой до 20 т.

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. Такое поверхностное оплавление материала называют

«облагораживающим», что позволяет для изготовления ответственных конструкций с высокими показателями износостойкости использовать недорогие исходные металлы и сплавы.

Испарение в вакууме материалов при нагреве их электронным лучом широко используют для получения тонких пленок. В отличие от других способов испарения, где энергия подводится к испаряемои поверхности через стенку тигля или высокотемпературный нагревательный элемент, при электронно-лучевом испарении осуществляется прямой нагрев поверхности испаряемого материала. Это позволяет испарять материалы из водо-охлаждаемых тиглей, что особенно важно при работе с химически активными и тугоплавкими материалами.

При электронно-лучевом испарении удается управлять электронным пучком в пространстве и во времени, регулируя тем самым интенсивность ввода энергии в испаряемое вещество, а следовательно, скорость испарения и распределение плотности потоков пара.

Электронно-лучевое испарение применяют в микроэлектронике для нанесения различных металлических покрытий на стальную ленту, для изготовления фольги из псевдосплавов сложного состава. Электронным лучом можно испарять с последующим осаждением на подложку различные неметаллические материалы: диоксид кремния, оксид алюминия, различные виды стекла. Конденсационные покрытия применяют в оптической промышленности и в различных областях электроники.

С помощью размерной обработки заготовки электронным лучом в ней получают глухие или сквозные отверстия заданных размеров или заданный контур. Размерная обработка основана на том, что при достаточно большой удельной поверхностной мощности скорость испарения обрабатываемого материала и давление пара возрастают настолько, что весь жидкий металл с потоком пара выбрасывается из зоны обработки. Строгое дозирование подводимой энергии осуществляется импульсным воздействием электронного луча на поверхность или его перемещением по поверхности с заданной скоростью. Можно выделить три режима размерной электронно-лучевой обработки:

1. Моноимпульсный режим - обработка ведется одиночным импульсом,

т. е. отверстие получают за время действия одного импульса.

2. Многоимпульсный режим - отверстие получают воздействием на заданное место заготовки несколькими импульсами.

3. Режим обработки с перемещением электронного луча по заготовке с заданной скоростью.

Электронный луч нашел применение в первую очередь для размерной обработки твердых материалов - алмазов, кварца, керамики, кристаллов кремния и германия.

Особой разновидностью размерной электронно-лучевой обработки является перфорация (получение мелких сквозных отверстий) различных материалов. Этим способом изготовляют металлические и керамические элементы фильтров, пористый материал для охлаждения камер сгорания и лопаток турбин. Электронно-лучевая термообработка заключается в локальном нагреве обрабатываемых участков поверхности с целью получения структурных превращений материала. Она применяется также для отжига материалов в вакууме, повышая их пластичность и очищая поверхность от адсорбированных газов.