Курс лекций ЭФиЭХМО. Курс лекций эфиэхмо. Лекция Основные понятия. Классификация эф и эх методов
 Скачать 2.54 Mb.
|
|
Наплавка Плазменная наплавка разработана позже плазменного напыления. Метод плазменной наплавки отличается от плазменного напыления тем, что наряду с продуванием плазмообразующего газа предусматривается газовая защита жидкой ванны от взаимодействия с воздухом и продувание газоносителя для наплавляемого порошка. При наплавке одновременно используются переносимая и непереносимая дуги. Между вольфрамовым электродом и основным соплом возбуждается замкнутая ВЧ-дуга, питаемая от источника тока 1 (рис. 6.10). Эта дуга служит для подогрева напыляемого материала. Вторая открытая дуга горит между W‑электродом и деталью и питается от источника 2. Она служит для получения ванны расплавленного материала на поверхности наплавляемой детали. При наплавке используются три потока газа: 1 – плазмообразующий, 2 – для переноса порошка, 3 – для защиты ванны от окисления. Преимущество плазменной наплавки заключается в следующем: а) ограниченная толщина наплавляемого материала; б) высокая производительность, в) незначительное перемешивание основного и наплавляемого материала. Толщина наплавляемого слоя может регулироваться в пределах 0,25 мм до 5 мм. Плазменная наплавка применяется для хорошего соединения наносимого материала с деталью. Метод наплавки используется для армирования режущего инструмента, вентилей тепловых двигателей, лопаток турбин, штамповочного инструмента и т. д. Производительность от 0,5–4,5 кг/ч. 60 Рисунок 6.10 – Схема метода плазменной наплавки: 1 и 2 — источники тока, 1, 2, 3 — потоки газа Сварка. Наряду с вышеперечисленными видами плазменной обработки материалов широко используется и плазменная сварка. Целесообразность применения плазменной сварки диктуется следующими условиями: 1) соединить материалы, сварка которых обычными способами затруднена (тугоплавкие); 2) повысить производительность процесса сварки хорошо свариваемых материалов; 3) получить сварные соединения, образованные преимущественно за счет глубокого проплавления основного металла при небольшой добавке присадочного материала. Плазменные горелки для сварки аналогичны по конструкции горелкам для плазменной резки. Однако, в отличие от горелки для резки, поступающий в сварочную горелку второй поток газа, который окружает дугу, служит для защиты расплавленной ванны от окисления. Использование горелок с плазменной струей, выделенной из столба дуги, нецелесообразно, т. к. 60–70 % тепловой энергии вводится в сопло и лишь 20–30 % – в свариваемую деталь, вследствие того, что расход газа нельзя делать большим из-за разбрызгивания металла. Сварка нашла применение в металлообрабатывающей промышленности, где применяются труднообрабатываемые материалы, например, в химической, атомном реакторостроении и при производстве космических аппаратов. Особенно широкое применение нашла прецизионная размерная сварка с применением микрогорелок, в авиастроении и автомобильной промышленности. Быстрое развитие современной промышленности и отдельных ее элементов ставит новые требования к технике прецизионной сварки. Сварка плазменными микрогорелками дала новые возможности при изготовлении измерительного инструмента и электронных устройств в электромедицинском аппаратостроении. 61 Получение новых материалов 1. Получение сверхчистых веществ. Используется высокочастотный плазмотрон, разряд которого горит, не касаясь стенок. Он разогревает материалы, и они осаждаются на определенных подложках. То же самое касается нанопорошков. Любой порошок засыпается под сопло, нагревается, испаряется. Пары выдуваются, закаливаются. Также впрыскивается вода и образуется нанопорошок. Однако при данном способе получения существует большой фракционный разброс: от 20 до 500 нм. По этой причине он практически не применяется. 2. Получение тугоплавких соединений (карбиды, бариды, нитриды). У всех них температуры плавления за 2000 градусов. 3. Получение полупроводников. Плазмой создается объемный высокочастотный разряд и из него вытаскиваются ионы, которые могут разгоняться и равномерно наносятся тонкими слоями (0,1–0,2 мкм). 4. Получение новых материалов (С3, С9, AlO). Образуются при нагреве и резком охлаждении. Экология 1. Плазменная переработка мусора, отходов производства. При обычном сгорании мусора в воздух попадают вредные оксиды, разлагающиеся на ионы в случае использования плазменных горелок. При впрыскивании пара можно получить обычный бытовой газ, который можно сжигать в электростанциях. РФ является одним из мировых лидеров по производству плазмотронов для сжигания мусора, производство располагается в Новосибирске. 2. Обезвреживание ядов, в том числе боевых отравляющих веществ. 62 Лекция 7. Электронно-лучевая обработка. Электровзрывная технология Электронно-лучевая обработка. Электроннолучевая обработка основана на использовании кинетической энергии электронов, летящих с большой скоростью для направленного удаления материала путем нагрева, плавления и испарения его в зоне обработки. Начало использования электронного луча для размерной обработки материалов следует отнести к 1959—1960 гг. В это время созданы первые установки для изготовления диафрагм, используемых в электронных микроскопах, и для фрезерования электронным лучом, хотя аналогичные установки для сварки начали изготавливать несколько ранее. Большие успехи, достигнутые за последние годы в области электроники, телевидения, радиолокации, в разработке электронно-оптической аппаратуры, привели к значительному развитию электроннолучевой обработки материалов. Физическая сущность процесса. При нагревании в вакууме металла (вольфрама или тантала) пропусканием через него электрического тока с поверхности металла эмитируются электроны (термоэлектронная эмиссия). Кинетическая энергия этих электронов сравнительно невелика. Но если на электроны воздействовать электрическим полем, создавая высокую разность потенциалов между эмитирующей поверхностью — катодом и анодом — скорость движения электронов можно значительно повысить. Величину этой скорости можно определить из выражения: где U — разность потенциалов между катодом и анодом (ускоряющее напряжение). Законы движения электронов имеют много общего с законами световой (геометрической) оптики и их рассматривают в специальном разделе физики — электронной оптике. Сформированные электрические и магнитные поля при воздействии их на поток электронов имеют такое же значение в электронной оптике, как стеклянные линзы или призмы в световой оптике (фокусируют, отклоняют луч). При переходе из одной области пространства в другую через границу раздела, где потенциал изменяется скачком, электронный луч изменяет свое направление, т. е. прелом- ляется подобно световому лучу при переходе из одной среды в другую. Если потенциал от точки к точке по пути движения электронов изменяется непрерывно (т. е. не существует точной границы раздела), то непрерывно будет изменяться и направление движения электрона. В электроннолучевых установках продольное электрическое поле, созданное разностью потенциалов между катодом и анодом, обычно фиксировано. Поэтому в этих установках управление движением электронов осуществляется изменением поперечного поля. Создавая изменяющееся по определенному закону неоднородное поле, можно управлять движением потоков электронов. Если электрическое поле сформировано так, что равноудаленные поверхности его подобны поверхностям стеклянных линз, то такое электрическое поле будет действовать на электронный луч подобно действию стеклянной линзы на световые лучи. Подбором формы и взаимного расположения электродов, создающих электрическое поле, можно получить различные системы электростатических линз (первый тип фокусирующих устройств). Фокусное расстояние / электростатических линз определяется из выражения: 63 где К — коэффициент пропорциональности; U — ускоряющее напряжение; Е — напряженность поперечного электрического поля. Изменением этих параметров можно сравнительно легко изменять фокусное расстояние электростатической линзы. Второй тип фокусирующих устройств для электронных лучей — это электромагнитные линзы. Применение таких линз основано на законах взаимодействия магнитного поля с электронным лучом (подобных законам воздействия магнитного поля на проводники с током). Если движущийся электрон попадет в однородное магнитное поле перпендикулярно к силовым линиям, то он будет описывать окружность, если под углом — то винтовые линии. Период обращения электрона по кругу зависит только от напряженности магнитного поля. Все электроны, вылетающие из какой- то точки в разных направлениях, описав винтовые линии различных радиусов с различными скоростями обращения, будут вновь сходиться в какой- то другой точке. Расстояние этой точки от точки вылета электронов зависит от скорости движения электронов вдоль магнитного поля, которая определяется только значением ускоряющего электрического поля. В этом в основном и заключается принцип фокусирования электронного пучка с помощью однородного магнитного поля. Фокусное расстояние электромагнитной линзы при заданном ускоряющем электрическом поле можно легко регулировать выбором величины тока, который протекает через катушку, создающую магнитное поле. С помощью электростатического или магнитного поля диаметр электронного луча можно сузить до 0,01 мм и менее, т. е. можно получить очень высокую концентрацию электронов в потоке. При воздействии электронного луча на материал электроны пучка проникают на некоторую глубину δ в материал. Глубина δ (пробег электрона) сравнительно невелика и зависит в первую очередь от ускоряющего напряжения U и плотности материала: где U — ускоряющее напряжение, кв; ρ — плотность материала, г/см 3 . Данные о величине пробега электронов для различных металлов при различных ускоряющих напряжениях приведены в табл. 7.1. При проникновении электронов в материал их движение постепенно тормозится вследствие взаимодействия с электронами и ядрами атомов вещества. При этом большая часть энергии электронов переходит в тепловую. Удельную мощность (плотность мощности) в пятне нагрева можно определить по формуле: где К— постоянная, зависящая от конструкции и соотношения геометрических размеров электронно-оптической системы; 64 U — ускоряющее напряжение, В; j э — плотность тока эмиссии на катоде, А/м 2 . Часть кинетической энергии электронов преобразуется в световое и рентгеновское излучение. Таблица 7.1 Металл ρ, г/см 3 Пробег электронов δ, мкм приU, кв 10 50 100 Алюминий 2,7 0,76 19,4 77,5 Вольфрам 19,3 0,1 2,7 10,9 Молибден 10,1 0,2 5,2 20,8 Медь 8,89 0,23 5,9 23,6 Сталь 7,7 0,27 6,8 27,1 Титан 4,5 0,45 11,7 46,6 Хром 6,92 0,3 7,6 30,4 Мощность рентгеновского излучения можно определить из выражения: где I— сила тока электронного пучка, мА; z — порядковый номер элемента в периодической системе; U — ускоряющее напряжение, кВ. При падении электронного луча достаточной мощности на поверхности материала образуется лунка-кратер определенной глубины. Следует учитывать, что глубина лунки и глубина проникновения электронов — понятия не тождественные. Как показано выше, глубина проникновения электронов (свободный пробег электрона) очень мала, в то время, как глубина лунки может достигать нескольких миллиметров. Типовые процессы обработки. Технологические характеристики электроннолучевой обработки (производительность обработки, обрабатываемость различных материалов, скорость съема материала, точность обработки и т. д.) во многом определяются возможностями оборудования, энергетическими параметрами электронного пучка, свойствами обрабатываемого материала. Производительность электроннолучевой обработки зависит от мощности луча, размеров участка, на котором он фокусируется, скважности импульсной подачи луча и длительности каждого импульса. Кроме того, она зависит от теплофизических констант и толщины обрабатываемого материала. Зависимость производительности обработки от свойств металлов и сплавов характеризуется относительной обрабатываемостью. Данные по относительной обрабатываемости некоторых материалов электронным лучом (за единицу принята обрабатываемость меди) приведены в табл. 7.2. 65 Таблица 7.2 Материал Относительная обрабатываемость Медь 1 Алюминий 0,7 Железо 6 Вольфрам 0,09 Молибден 0,08 Титан 10 Феррит 40 Кварц 20 Стекло 35 Скорость съема материала электронным лучом может достигать 20 -30 мм 3 /мин, но при высококачественной обработке скорость съема не превышает 1 мм 3 /мин. Поэтому метод целесообразно использовать только для микрообработки. Для интенсификации обработки заготовок перед обработкой электронным лучом в некоторых случаях целесообразно применять предварительный нагрев. В частности, нагрев стального образца до температуры 400° С значительно повышает производительность обработки (до 50%). Точность электроннолучевой обработки также определяется энергетическими параметрами луча, стабильностью этих параметров при управлении процессом, системой фокусировки излучения, точностью управления частотой следования и длительностью импульсов, точностью выполнения механической части оборудования. На существующем оборудовании точность управления параметрами электронного луча может быть очень высокой (не ниже 0,1 % номинала). При оптимальном выборе режимов точность электрон- нолучевой обработки может составлять 10-20 мкм. Электроннолучевая обработка успешно применяется для изготовления отверстий микронных размеров с большим отношением глубины к диаметру. Например, в стеклянной пластине толщиной 2 мм отверстие диаметром 48 мкм получают за 1 сек. Возможности перемещения электронного луча, точного управления его энергетическими и временными параметрами позволили применить электроннолучевую обработку для изготовления фасонных щелей и пазов в труднообрабатываемых материалах, например, для изготовления фильер при получении объемного синтетического волокна. Такие фильеры изготовляют из твердого сплава или другого аналогичного по свойствам материала толщиной до 8 мм с постепенным уменьшением толщины материала до 0,5 мм. Сечения фильер могут быть различны (рис. 7.1). Ширина щели или диаметр отверстия зависит от толщины обрабатываемого материала. Оптимальное соотношение между шириной щели или диаметром отверстия и толщиной материала не должно превышать 1/20. С уменьшением этого соотношения увеличивается клиновидность паза или конусность отверстия. 66 Рис. 7.1 – Виды фильер из твердых сплавов Большие перспективы открыты перед электроннолучевой обработкой в области микроэлектроники. Электронный луч успешно применяется при изготовлении интегральных схем. Эта обработка все шире применяется для получения р - n-переходов, резисторов, туннельных диодов, некоторых типов транзисторов, для получения микроотверстий в тонких пленках и т. д. Преимущества электроннолучевой обработки перед другими методами: электронный луч можно легко фокусировать, модулировать по мощности; он безынерционен, его можно мгновенно и сравнительно легко перемещать в любую точку обрабатываемой поверхности. К недостаткам электроннолучевой обработки следует отнести необходимость проведения обработки в вакууме, сложность и высокую стоимость выпускаемого оборудования. Оборудование для электроннолучевой обработки обычно включаетв себя следующие основные элементы: 1) электронную пушку; 2) вакуумную камеру с вакуумной системой; 3) источник питания с аппаратурой управления процессом. Генерирование, формирование в пучок и ускорение электронов до высоких скоростей производится в электронной пушке. Электронный луч формируется в условиях вакуума. Высокий вакуум (давление 10 -5 –10 -7 кГ/см 2 ) необходим потому, что при столк- новении электронов с атомами газа велики потери энергии электронов и возможно возбуждение разряда в электронной пушке, что приведет к потере управляемости потоком электронов. 67 При необходимости обработки больших деталей используются установки с системой шлюзов перед вакуумной камерой. В таких установках вакуум в зоне обработки достигается последовательной откачкой воздуха в транспортном устройстве, и перепад давления на соседних позициях транспортировки деталей невелик. Для быстрого удаления воздуха из камеры вакуумная система электроннолучевой установки должна иметь достаточно высокую производительность. В комплект вакуумного оборудования установки входят форвакуумный и диффузионный насосы, а также приборы для измерения разрежения. Форвакуумный насос обеспечивает предварительный вакуум (снижение давления до 10 -3 –10 -4 кГ/см 2 ). Скорость откачки насосом (ротационным типа ВА-0,5-1) составляет 250 л/сек. Диффузионный насос (например, типа ВН-2) обеспечивает высокий вакуум (до 10 -5 — –10 -7 кГ/см 2 ) со скоростью откачки до 7 л/сек. Среднее время достижения рабочего вакуума 7–15 мин. При больших объемах вакуумных камер используются более производительные откачные станции. В последнее время ведутся работы по созданию электроннолучевых установок, для которых в рабочих камерах допускается более высокое давление (до 10 -3 кГ/см 2 ), а также по обработке электронным лучом при атмосферном давлении. Электровзрывная технология. Электрический взрыв проводника представляет собой явление взрывообразного разрушения металлического проводника при прохождении через него импульса тока большой плотности, сопровождающегося световым излучением, звуковым эффектом и ударной волной. Электрический взрыв проводников, как метод получения порошков, известен еще с 1774 г., когда были опубликованы первые данные по распылению проволочек. В 1949 г. в Советском Союзе по данному методу была подана заявка на изобретение. В конце 60–70‑х годов прошлого столетия в Томском политехническом институте усилиями Иванова Г. В., Котова Ю. А., Яворовского Н. А. начаты работы по созданию физических и методических основ электровзрывной технологии получения ультрадисперсных порошков. В последующие годы эта проблема успешно разрабатывалась в НИИ ВН ТПУ под руководством Ильина А. П., Семкина Б. В., Яворовского Н. А. Наиболее просто ЭВП осуществить в LC-контуре по схеме, показанной на рис. 7.2 и лежащей в основе установок для получения ультрадисперсных порошков. Подобные установки состоят из высоковольтного источника питания, емкостного накопителя энергии С, управляемого разрядника Р, индуктивного сопротивления L, взрывающегося проводника П, герметичной взрывной камеры из нержавеющей стали. Образовавшийся во взрывной камере золь металла подается вентилятором в динамический фильтр, где осаждается. Установка оборудована устройством для непрерывной подачи проволоки. 68 Рис. 7.2 Взрывы проволочек могут повторяться с частотой до 1 Гц. Дисперсность порошков, получаемых методом ЭВП, определяется удельным энергосодержанием взрывающегося проводника, диаметром проводника и давлением среды, в качестве которой, как правило, применяется аргон. Если же необходимо получить порошки соединений (оксиды, нитриды и т. д.), то выбирается соответствующая газовая среда. Весь технологический процесс получения порошков путем электрического взрыва проволочек делится на следующие этапы: 1. Емкостной накопитель энергии С заряжается от источника питания до напряжения U 0 . При замыкании цепи разрядником Р ток вначале определяется волновым сопротивлением контура, поскольку сопротивление проводника мало. Проводник нагревается джоулевым теплом, плавится в точке t 1 (рис. 7.3). Рис. 7.3 – Осциллограммы тока (I) и напряжения (U) в LC-контуре 2. Дальше проводник нагревается в жидком состоянии до момента t 2 , характеризующего бурное испарение жидкого металла. При этом вещество расширяется, теряет металлическую проводимость, его сопротивление возрастает на несколько порядков, ток в контуре уменьшается. 69 3. В момент t 3 ток прекращается, наступает пауза. Во время паузы напряжение конденсатора приложено к продуктам взрыва. 4. В момент t 4 происходит пробой газообразных продуктов взрыва, наступает дуговая стадия разряда. 5. Образуются продукты ЭВП: пары и мельчайшие частицы металла, которые могут вступать в различные реакции со средой с образованием соединений металла (нитриды, оксиды и т. д.) Физические основы. В настоящее время имеет распространение гипотеза об изменении физического состояния металлов при электрическом взрыве проводников за счет квазиравновесных процессов. Однако на неравновесность процессов при ЭВП указывают следующие факты: 1. Наличие 30–40 % вещества проводников в ионизованном состоянии при введении в проводник энергии, сравнимой с энергией тепловой сублимации вещества. 2. Как установлено в экспериментах с медными проволочками, энергия излучения в ИК-диапазоне, относящаяся к стадии собственно взрыва, примерно в сто раз превышает ожидаемую энергию теплового излучения. 3. Люминесценция продуктов взрыва металлов возбуждается в результате быстрого диспергирования жидкого металла и возникновения электрического поля. Таким образом, наличие значительной доли вещества в ионизованном состоянии и аномалии в спектре излучения при ЭВП свидетельствуют о неравновесности рассматриваемого процесса. Весь процесс электрического взрыва проводников можно разделить на две стадии: 1. От начала действия тока до потери проводником высокой проводимости — вынужденный процесс. 2. Полное остывание продуктов взрыва — самопроизвольный процесс. На первой стадии ввод энергии высокой плотности приводит к неравновесности процессов: диссипация энергии происходит по всем возможным каналам (нагрев в конденсированном состоянии, плавление, испарение, ионизация), также и по энергетически невыгодным каналам в условиях равновесности. В условиях электрического взрыва проводников не достигается равновесия между процессами диссипации энергии, что означает одновременное сосуществование вещества в различных фазах. Плотность тепловой мощности тока при небольшой ее величине равна произведению электропроводности на квадрат напряженности электрического поля (закон Джоуля–Ленца). В соответствии с этим законом на всех стадиях ЭВП в результате взаимодействия электронов с основными ионами энергия должна передаваться кристаллической решетке. Именно на этой стадии ввода часть энергии расходуется на разрыв химической связи и на ионизацию, поэтому в тепло переходит меньше энергии, чем это следует из закона Джоуля–Ленца. На стадии охлаждения продуктов электрического взрыва проводников не происходит полной релаксации, а часть энергии замораживается в виде запасенной энергии: энергии поверхности, внутренних дефектов, зарядовых состояний. Неравновесность процессов, протекающих при охлаждении, и сохранение металлом запасенной энергии также приводят к отклонению от закона Джоуля–Ленца. Таким образом, критерием неравновесности при электрическом взрыве является отклонение от закона Джоуля–Ленца как при вводе энергии в металл, так и при охлаждении 70 продуктов ЭВП. Показано, что ультрадисперсные порошки (УДП) алюминия, полученные методом ЭВП, имеют запасенную энергию (около 50 кал/моль), превышающую теплоту плавления. Область применения порошков. 1. Сверхтонкие порошки различного состава используются в керамическом производстве в качестве добавок, снижающих температуру и уменьшающих время спекания изделий порошковой металлургии. 2. Разработка присадок к смазочным материалам значительно увеличивает срок службы изделий машиностроения, способствует стимулированию различных технологических процессов. 3. Применяются ультрадисперсные порошки как активаторы и катализаторы различных термохимических процессов. 4. Используются при создании новых композиционных материалов, сверхпроводников, фильтров и других изделий с уникальными свойствами. |