傅宇蕾，胡 靜，趙萬生

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240）

贗火花電子束表面處理實驗系統(tǒng)

傅宇蕾，胡 靜，趙萬生

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240）

電子束加工是特種加工中高能束加工的一個分支，贗火花電子束表面處理過程是以電子為載能粒子，入射電子束與材料作用，電子的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩共牧媳砻娴某煞?、組織或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而改善材料表面特性的過程。由于電子束表面處理具有能量密度大、可控性高、需在真空下進(jìn)行等獨有的特點，故對贗火花電子束表面處理實驗系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計開發(fā)具有重要的應(yīng)用價值。

魘火花電子束；表明處理；系統(tǒng)搭建

在高精度模具及核心零部件的制造中，機械加工所產(chǎn)生的完整性不佳及引起的微觀缺陷，從而導(dǎo)致壽命不理想的問題一直都是制造領(lǐng)域內(nèi)的一大技術(shù)難題。金屬表面處理作為表面精加工的最后一道工序，能有效消除材料表面微裂和殘余應(yīng)力等微觀缺陷，改善材料的抗腐蝕性和耐磨性，提高使用壽命。因此，現(xiàn)代制造技術(shù)中急需一種高效率、低成本且綠色環(huán)保的表面處理技術(shù)。

日本科研機構(gòu)于2003～2005年聯(lián)合開發(fā)的利用大束斑電子束對模具進(jìn)行高速拋光的新方法[1-3]，其基本原理是通過“極粗”電子束在極短脈沖時間內(nèi)的輻照作用，降低電子束能量密度，利用降低的單位面積電能使金屬淺表層部分瞬間熔化，但不影響其基體材料，電子束脈沖結(jié)束后，淺表層又迅速冷卻固化，這樣超快熔融和固化的交替、重復(fù)作用可使金屬淺表層被非晶化（即非定型化），從而獲得鏡面光滑程度的金屬表面[4-5]。同時，這種非晶化表面很難被氧化生銹，抗水性得到大幅提高[6-7]。韓、英等國的學(xué)者還研究了該技術(shù)對不同金屬及合金材料的表面處理作用[8-9]。國內(nèi)多家科研機構(gòu)深入研究了電子束與金屬作用的表面微結(jié)構(gòu)的變化，仿真了電子束熱效應(yīng)與熱應(yīng)力對材料的影響[10-14]。

然而，大束斑電子束表面處理的核心是利用低能量值和高電流密度的非聚焦電子束對金屬材料的重復(fù)輻照實現(xiàn)表面拋光，由于電子束自身特性的不完善，在輻照頻率、尺寸精度和系統(tǒng)運行成本等方面存在一些技術(shù)局限，集中體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）由于束斑直徑為60 mm，在處理精細(xì)和復(fù)雜特征時，電子束傳播方向和工件法線方向會產(chǎn)生較大的局部傾角，降低表面加工效率和效果。

（2）大束斑電子束是以湯森放電為基礎(chǔ)的脈沖電子束，電流密度和能量函數(shù)隨時間、空間的分布呈不均勻性[15]，這會對表層處理結(jié)果產(chǎn)生很大的影響[1，4，6]。

（3）大束斑電子束的脈沖重復(fù)頻率為0.2 Hz，較低的電子束脈沖頻率直接導(dǎo)致每一輻照區(qū)的輻照拋光時間較長，降低了生產(chǎn)率。

基于贗火花放電機制的高頻微細(xì)脈沖電子束流輻照拋光法正是針對上述技術(shù)局限而提出的一種有效解決方法。

1 贗火花電子束表面處理的特點

1.1 電子束表面處理的特點

與傳統(tǒng)的表面處理相比較，電子束表面處理具有以下特點[16]：

（1）電子束的能量密度高，所以加工生產(chǎn)率高。

（2）電子束加工速度快，所以加工點向基體散失的熱量小，工件熱變形??；且電子束本身不產(chǎn)生機械力，無機械變形問題。

（3）可控性好，電子束的能量和能量密度調(diào)節(jié)易通過調(diào)節(jié)加速電壓、電子束流和電子束的會聚狀態(tài)來實現(xiàn)。電子束還便于用偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)來使其偏轉(zhuǎn)；調(diào)節(jié)勵磁電流便可使電子束高速地進(jìn)行光柵或矢量掃描。利用這些特性，易對電子束進(jìn)行數(shù)控控制。

（4）電子束在真空條件下進(jìn)行，保護(hù)材料不會被氧化和污染。

1.2 電子束表面處理與激光束表面處理的比較

與激光表面處理相比較，電子束表面處理具有以下特點[17]：

（1）總效率高。電子束熱處理設(shè)備總的電熱轉(zhuǎn)換效率約為70%～80%。

（2）無需進(jìn)行表面處理。激光熱處理時，為減少光反射造成的能量損失，需對零件進(jìn)行表面預(yù)處理；而電子束表面處理則不需涂層及隨后的清潔處理工序。

（3）電子束比激光更易控制，能實現(xiàn)選擇熱處理。

（4）電子束表面處理在一定程度上還可強化材料，提高材料的抗腐蝕性、硬度及抗水性，改善表面粗糙度等。

（5）電子束在真空條件下進(jìn)行，雖不如激光方便，但保護(hù)材料不會被氧化和污染，使處理后的零件表面質(zhì)量更好。

1.3 贗火花放電的特點

贗火花放電產(chǎn)生于1～50 Pa的真空環(huán)境，工作在帕邢曲線左半分支部分。其出現(xiàn)完全依賴于陰極的特殊幾何形狀——空心圓柱筒狀電極，其空心陰極腔結(jié)構(gòu)能使強電場在陰極腔通孔方向發(fā)生電場畸變，在陰極外部產(chǎn)生虛陽極結(jié)構(gòu)（圖1）。在相同工作條件下，空心陰極腔內(nèi)表面的等勢線密度遠(yuǎn)高于平行板，即空心陰極效應(yīng)（圖2）[18]，從而大幅增強局部電場，使電離化碰撞頻率大大增加，形成具有極高能量轉(zhuǎn)化和電子束生成效率的鏈?zhǔn)窖┍离婋x方式，進(jìn)而產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)化率和電流密度遠(yuǎn)高于常規(guī)氣體放電的脈沖電子束。

圖1 單級贗火花放電腔結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 空心陰極效應(yīng)示意圖

2 放電腔設(shè)計

贗火花放電腔作為贗火花電子束表面處理實驗系統(tǒng)的核心部件，在設(shè)計過程中需考慮空心陰極尺寸（小孔直徑、空心腔體深度）、陰陽極板間距、陽極板級數(shù)等主要指標(biāo)，并遵循理論計算與經(jīng)驗值相結(jié)合的原則。

2.1 空心陰極腔設(shè)計

在贗火花放電中，陰極為具有特殊幾何形狀的空心圓柱筒狀電極，由于圓筒的電磁屏蔽作用，空心陰極腔內(nèi)的場強幾乎為零。顯然，進(jìn)入陰極腔內(nèi)的電場取決于陰極板上的小孔孔徑及空心陰極腔的深度。相關(guān)實驗表明，增大孔徑或減小空腔深度均可改善腔內(nèi)低壓氣體放電的擊穿時間延遲及放電電壓的抖動[19]。

空心陰極效應(yīng)的近似產(chǎn)生條件為：

式中：φ為空心腔體內(nèi)徑；P為腔內(nèi)氣體氣壓[20-22]。

由于空心陰極效應(yīng)的發(fā)生范圍在十幾毫米半徑內(nèi)[23]，故本放電腔取陰極腔內(nèi)徑為22 mm，孔徑為2 mm，空腔深度為25 mm。則由式（1）可得腔內(nèi)氣壓P＜60.6 Pa，結(jié)合贗火花放電的發(fā)生條件，最終腔內(nèi)氣壓P的取值為1 Pa＜P＜60.6 Pa。

2.2 陰陽極板設(shè)計

贗火花放電的擊穿電壓U與陰陽極板間距d、工作氣壓P之間的關(guān)系為[24]：

式中：α=0.1856±0.0019；β=1.9952±0.0064；δ=2.226± 0.016。代入數(shù)值進(jìn)行模擬，可發(fā)現(xiàn)在給定極板間電壓的情況下，極板間距d與氣壓P反相關(guān)[25]。結(jié)合本實驗系統(tǒng)的高壓電源參數(shù)，可由1 Pa＜P＜60.6 Pa推導(dǎo)得出2 mm＜d＜14 mm。

2.3 陽極板級數(shù)設(shè)計

單級贗火花放電腔多用于原型實驗階段，因多級虛火花放電結(jié)構(gòu)的靜電聚焦和加速作用，放電腔輸出的電子束具有極高的束流強度，同時還有極小的發(fā)射度，使電子束能傳送到更遠(yuǎn)的距離。經(jīng)實驗證明，一般陽級板級數(shù)越多，贗火花放電腔輸出的電流強度越強（圖3）。實驗中，可根據(jù)不同的工藝參數(shù)要求，相應(yīng)地調(diào)整陽極板級數(shù)。

經(jīng)上述分析，最終確定了贗火花放電腔的主要參數(shù)（表1）。陰陽極板和空心陰極腔的材料選用不銹鋼或銅，絕緣層材料選用特氟龍（聚四氟乙烯）。

表1 贗火花放電腔結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)

3 實驗系統(tǒng)設(shè)計

圖4是贗火花電子束表面處理實驗系統(tǒng)，主要包括：真空腔、贗火花放電腔、高電壓脈沖網(wǎng)絡(luò)、二級真空泵系統(tǒng)、氣體質(zhì)量流量控制器、氣壓計、高壓脈沖觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)、脈沖電子束高壓探針、脈沖電子束電流探針及移動工作臺等。系統(tǒng)實物圖見圖5。

圖4 贗火花放電表面處理實驗系統(tǒng)示意圖

圖5 贗火花放電表面處理實驗系統(tǒng)實物照片

整個實驗系統(tǒng)需工作在稀有氣體（本實驗用氬氣）保護(hù)下的真空環(huán)境中，真空腔和贗火花放電腔均與二級真空泵系統(tǒng)相連。首先，用機械旋片泵將系統(tǒng)壓力抽至10-2Torr量級；然后，用渦輪分子泵將系統(tǒng)壓力抽至10-5Torr量級；最后，在質(zhì)量流量計的控制下向系統(tǒng)內(nèi)充入氬氣，令系統(tǒng)內(nèi)氣壓升至10-2Torr；等待15 min以上，直至氣壓計讀數(shù)穩(wěn)定，開始向空心陰極腔施加高壓脈沖觸發(fā)虛火花放電，以進(jìn)行下一步實驗。

本實驗系統(tǒng)所用的高壓脈沖放電網(wǎng)絡(luò)由脈沖信號發(fā)生器和高壓增幅器組合形成，最終輸出電壓為-20～20 kV，最大穩(wěn)定輸出電流為±20 mA，最大脈沖輸出電流為±60 mA（1 ms），配合限流電阻和電容實現(xiàn)對放電腔的充放電控制。由于是在高壓系統(tǒng)下工作，各部件的接地需特別注意。系統(tǒng)的充放電等效電路見圖6。放電腔所產(chǎn)生的脈沖電壓和電流分別用高壓探針和羅氏線圈進(jìn)行探測。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的贗火花電子束表面處理實驗系統(tǒng)平臺可用于完成贗火花電子束源的調(diào)試、電子束特性的測量和分析、電子束與金屬表面作用的實驗觀測、金屬表層性質(zhì)在不同電子束參數(shù)下的測量和分析、工藝參數(shù)的確立等。

圖6 等效電路圖

[1] OKADA A，UNO Y，MCGEOUGH J A，et al.Surface finishing of stainless steels for orthopedic surgical tools by large-area electron beam irradiation[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2008，57（1）：223-226.

[2] UNO Y，OKADA A，UEMURA K，et al.A new polishing method of metal mold with large-area electron beam irradiation[J].Journal of Materials Processing Technology，2007，187-188：77-80.

[3] SAKAI S，MASUZAWA T，ITO S.ECM finishingof surface products by EDM[C]//Proceedings of International Symposium on Electromagnetic Metrology.Beijing，1989：155-158.

[4] PROSKUROVSKY D I，ROTSHTEIN V P，OZUR G E. Use of low-energy，high-current electron beams for surface treatment of materials[J].Surface and Coatings Technology，1997，96（1）：117-122.

[5] PROSKUROVSKY D I，ROTSHTEIN V P，OZUR G E，et al. Pulsed electron-beam technology for surface modification of metallic materials[J].Journal of Vacuum Science and Technology A Vacuum Surfaces and Films，1998，16（4）：2480-2488.

[6] PROSKUROVSKY D I，ROTSHTEIN V P，OZUR G E，et al.Physical foundations for surface treatment of materials with low energy,high current electron beams[J].Surface and Coatings Technology，2000，125（1-3）：49-56.

[7] UNO Y，OKADA A，UEMURA K，et al.High-efficiency finishing process for metal mold by large-area electron beam irradiation[J].Precision Engineering，2005，29（4）：449-455.

[8] KIM D M，KIM J，PARK S S，et al.Surface modification of the patterned Al6061/SUS304 metal plates using the large electron beam [J].Applied Surface Science，2012，261：458-463.

[9] MURRAY J W，CLARE A T.Repair of EDM induced surface cracks by pulsed electron beam irradiation[J]. Journal of Materials Processing Technology，2012，212（12）：2642-2651.

[10]HAO Yi，GAO Bo，TU Gangfeng，et al.Improved wear resistance of Al-15Si alloy with a high current pulsed electron beam treatment[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B：Beam Interactions with Materials and Atoms，2011，269（13）：1499-1505.

[11]GAO Bo，HAO Yi，TU Gangfeng，et al. Surface modification of Al-12.6Si alloy by high current pulsed electron beam [J].International of Vacuum Congress，2010，257（9）：3913-3919.

[12]GAO Bo，HAO Yi，TU Gangfeng，et al. Surface modification of Mg67-Zn30-Y3 quasicrystal alloy by high current pulsed electron beam [J].Surface and Coatings Technology，2013，229：42-45.

[13]DONG Chuang，WU Aimin，HAO Shengzhi，et al.Surface treatment by high current pulsed electron beam[J]. Surface and Coatings Technology，2003，163：620-624.

[14]秦穎.強流脈沖電子束材料改性機制及數(shù)值模擬[D].大連：大連理工大學(xué)，2004.

[15]GUNDERSEN M A，SCHAEFER G.Physics and applications of pseudosparks [M].New York：Plenum Press，1990.

[16]Susskind C.Introduction to electron beam technology[M]. London：John Wiley&Sons Inc，1962.

[17]范玉殿.電子束和離子束加工[M].北京：機械工業(yè)出版社，1989.

[18]ANDERS A，ANDERS S，GUNDERSEN M A.Electron emission from pseudospark cathodes [J].Journalof Applied Physics，1994，76（3）：1494-1502.

[19]FAVRE M，LENERO A M，CHOI P，et al.Dependence of cathode aperture in pulsed hollow-cathode discharges[J]. Applied Physics Letters，1992，60（1）：32-34.

[20]黃羽，王明常，陸賓，等.300kV的虛火花放電實驗[J].強激光與粒子束，1998，10（4）：635-637.

[21]楊斥，王明常，于金輝，等.自由電子激光器虛火花束源的480kV實驗[J].中國激光，2000，27（8）：673-676.

[22]CHOIP，CHUAQUIH，F(xiàn)AVREM，etal.Breakdown formation in a transient hollow cathode discharge-a statistical study[J].IEEE Transactions on Plasma Science，1995，23（3）：221-228.

[23]KIRICHENKO V I，TKACHENKO V M，TYUTYUNNIK V B.Influence of dimensions,cathode material,and gas on the optimum pressure for a cylindrical hollow cathode glow discharge[J].Soviet Physics-Technical Physics，1976，21（9）：1080-1086.

[24]BENKER W，CHRISTIANSEN J，F(xiàn)RANK K，etal. Generation of intense pulsed electron beams by the pseudospark discharge[J].IEEE Transactions on Plasma Science，1989，17（5）：754-757.

[25]朱俊彪，王明常，王之江，等.新型電子束源-虛火花放電室設(shè)計[J].光學(xué)學(xué)報，1995，15（5）：536-539.

Pseudospark Discharge Surface Finishing Experimental System

FU Yulei，HU Jing，ZHAO Wansheng
（School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，Shanghai 200240，China）

In the case of material surface treatment by pseudo spark electron beam，the kinetic energy of the beam electrons，converted to heat when the beam hits the surface of solid matter，is used either for the removal of material or for thermal inducing structural or chemical changes at the point of beam action to strengthen metallic materials.Because of several unique property of electron beam，such as:high energy density，flexibility in controlling，working in the vacuum environment，the design of pseudospark discharge surface finishing experimental system has some industry application.

pseudospark discharge；surface finishing；system setup

TG664

A

1009-279X（2017）02-0062-04

2016-11-23

傅宇蕾，女，1991年生，博士研究生。