掃描電子束微熔拋光臨界功率密度規(guī)律及實(shí)驗(yàn)研究

李新凱，王榮，王啟超，董玉健

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

電子束表面拋光處理技術(shù)是一種具有加工效率高、拋光速度可控、真空加工無污染等優(yōu)點(diǎn)的綠色表面處理技術(shù)，其加工原理為，電子束照射在金屬表面，金屬表面薄層快速熔化[1-2]，液態(tài)金屬在表面張力和重力的復(fù)合作用下，自發(fā)流向低洼處，填補(bǔ)表面凹坑[3]，起到“自拋光”效果。金屬零部件經(jīng)電子束拋光處理時(shí)，表面溫度快速升降溫，使表層硬度、耐磨性得以極大提升[4]。

目前電子束加工方法主要有三種：第一種方式是集中聚焦下束移動(dòng)工件的方法[5]。該方法以電子束束流集中聚焦下束為主，束流聚焦為斑點(diǎn)，移動(dòng)工件進(jìn)行加熱[6]，熱源加熱面積小，能量密度相對(duì)較大，熔池的深寬比也較大[7]，形成窄而深的熔池，強(qiáng)化的不只是表面，對(duì)金屬組織表面和深層都有很大的影響。第二種方式是采用脈沖電子束對(duì)金屬材料進(jìn)行表面重熔處理[8]。該方法的不足是，能量密度大，在表面的熔化層容易產(chǎn)生“火山坑”，由于能量密度高，產(chǎn)生的熱量集中，冷卻時(shí)的速度較快，造成內(nèi)應(yīng)力和組織應(yīng)力較大，容易在組織中出現(xiàn)相結(jié)構(gòu)裂紋，影響表面強(qiáng)化層的性能與質(zhì)量[9-10]。第三種方式是采用大面積電子束輔照（照射）[11-12]的方法對(duì)材料表面進(jìn)行拋光和表面強(qiáng)化處理。該方法通過調(diào)整參量密度，可實(shí)現(xiàn)直徑60 mm 范圍內(nèi)的電子束照射，此方法采用散焦下束的方式來實(shí)現(xiàn)大面積照射，要求電子槍功率大，因此很難實(shí)現(xiàn)均勻下束[13-14]。

為此，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型連續(xù)掃描電子束技術(shù)（Continuous scanning electron beam technique process，簡(jiǎn)稱：CSEBP），適用于大面積表面微熔處理。本文以45 鋼為研究對(duì)象，通過推導(dǎo)微熔狀態(tài)下45 鋼表面熱平衡關(guān)系，獲得電子束拋光工藝參數(shù)，并進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。針對(duì)試樣表面不同形貌特征，研究了溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了45 鋼掃描電子束微熔拋光工藝的特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

采用CSEBP 技術(shù)對(duì)表面進(jìn)行微熔處理。通過自主研發(fā)的電子束設(shè)備陰極發(fā)射出大量高速自由電子，電子在聚束極作用下進(jìn)行一次匯聚成束，但在空間電荷及真空室壓力等影響下，部分電子有所發(fā)散，產(chǎn)生電子云（圖1 黃色豎橢圓狀），在聚焦線圈二次聚焦作用下，形成穩(wěn)定且細(xì)小的電子束束流。電子束束流經(jīng)由X、Y兩對(duì)繞組組成的偏轉(zhuǎn)線圈，形成具有一定偏轉(zhuǎn)角度的束流，轟擊試樣表面。為實(shí)現(xiàn)CSEBP 下束方式，在電子束設(shè)備上外接可編程數(shù)字信號(hào)發(fā)生器。該發(fā)生器可根據(jù)編程產(chǎn)生不同的波形信號(hào)，從而控制偏轉(zhuǎn)電源的輸出電流，達(dá)到不同下束方式的效果。實(shí)驗(yàn)前，將編輯好的電子束掃描軌跡及運(yùn)動(dòng)方式的控制程序輸入信號(hào)發(fā)生器。用方程x2+y2=4 來描述圓形的電子束掃描軌跡，其中x、y方向的分量分別為x=2cost，y=2sint（0≤t≤π），兩路分量通過采集、放大，以指定刷新頻率輸出給附加偏轉(zhuǎn)線圈中的X、Y繞組，在偏轉(zhuǎn)線圈內(nèi)孔與電子加速方向垂直的平面內(nèi)產(chǎn)生大小、方向呈一定規(guī)律變化的磁場(chǎng)，高速運(yùn)行的電子在此磁場(chǎng)作用下，形成掃描電子束軌跡呈半徑0r=2 mm 的圓形，通過工件的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)大面域的掃描，并且掃描環(huán)的大小可調(diào)，掃描頻率、電子束束流、加速電壓等參數(shù)可控。CSEBP 掃描方式及拋光原理如圖1 所示，其中，r0=2 mm，d=1 mm，Q（r）為高斯熱源下的熱流密度（W/m2），q'為45 鋼表面熔融所需臨界功率密度（W/m2）。前期研究[15-16]發(fā)現(xiàn)，CSEBP下束過程中，試樣表面溫度快速提升，經(jīng)熱傳導(dǎo)和熱輻射后，溫度會(huì)急速下降，試樣表面出現(xiàn)熔融層、熱影響層以及基體三大區(qū)域，能在降低表面粗糙度的同時(shí)，有效提升表面力學(xué)性能。CSEBP 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電子束能量密度在大面域內(nèi)均勻分布的目的，能有效解決前述三種傳統(tǒng)下束方式存在的深寬比過大、相結(jié)構(gòu)裂紋、縮孔等共性技術(shù)難題。但該技術(shù)因能量密度分散而多適用于淺表面改性處理，如拋光、熔覆、沉積等。

圖1 連續(xù)掃描電子束（CSEBP）示意圖Fig.1 Schematic diagram of continuous scanning electron beam process (CSEBP)

采用OLS4100 激光顯微鏡觀測(cè)處理后表面輪廓分布以及測(cè)量試樣表面粗糙度。每個(gè)待測(cè)面均勻測(cè)量5 次，取其均值作為該面粗糙度Ra值。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)選用熱軋空冷狀態(tài)下的45 鋼作為實(shí)驗(yàn)原材料。實(shí)驗(yàn)前，先用數(shù)控銑床將所購原材料加工成50 mm×50 mm×50 mm 的正方體試塊，通過保持銑削刀具和恒定參數(shù)，控制Ra值在1.9～2.0 μm，以排除試樣原始粗糙度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。電子束掃描前，使用無水乙醇擦拭試樣表面并風(fēng)干，以排除材料表面附著物對(duì)拋光效果的影響。

實(shí)驗(yàn)用電子束機(jī)的主要性能參數(shù)為：加速電壓60 kV，電子束束流0～120 mA，掃描頻率0～3000 Hz，聚焦電流0～1000 mA。本研究所采用的掃描頻率為200 Hz。

2 理論分析

掃描電子束拋光處理效果受電子束功率影響顯著，當(dāng)電子束功率過大，試樣表面易產(chǎn)生過度熔融現(xiàn)象，但電子束功率過小，試樣未達(dá)到熔點(diǎn)，也無法實(shí)現(xiàn)自拋光效果。經(jīng)分析，當(dāng)電子束功率與金屬材料熔化所需功率達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，表面處于微熔狀態(tài)，對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選取具有較高指導(dǎo)意義。

2.1 試樣熔融臨界功率密度的確定

為研究掃描過程中溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，建立一維數(shù)學(xué)物理模型，且采用如下假設(shè)[17]：電子束束流均勻且垂直下束于工件表面；試樣尺寸遠(yuǎn)大于電子束掃描尺寸及熱作用深度；試樣材質(zhì)均勻，熱物性參數(shù)為溫度與組織成分的相關(guān)函數(shù)；不考慮基體在熔化過程中內(nèi)部的對(duì)流情況，只考慮工件軸向的熱傳導(dǎo)。根據(jù)以上假設(shè)，可建立一維非穩(wěn)態(tài)方程。

能量密度方程:

初始條件：

邊界條件：

由公式(1)—(4)可得：

式中：q為功率密度（W/cm2）；α為熱擴(kuò)散率（m2/s）；t為時(shí)間（s）；h和x為距表層的深度（μm）；0q為初始時(shí)刻的功率密度（W/cm2）；λ為熱導(dǎo)率（W/(m·K)）；θ0為基材初始溫度（℃），本文中設(shè)為常溫25 ℃。

電子束在掃描過程中有穿行效應(yīng)，加工過程中的最高溫度出現(xiàn)在亞表層[19]，電子射程僅與電子的能量和靶材密度有關(guān)，如式(7)所示。

式中：R為電子射程（m）；C為常數(shù)（m2/s），C= 9.8 × 1 0-11kg/m2V2；U為電子束加速電壓（V）；ρ為靶材密度（kg·m–3）。

本文采用加速電壓為60 kV，最高溫度處于表層下45 μm 處（即R= 45 μm ），厚度值較小，可將表層看作工件最高溫度處，令x= 0，可得到工件表面微熔的臨界功率密度為：

2.2 掃描電子束熱源模型的建立

電子束掃描頻率可達(dá)500 Hz，因頻率較高，可將電子束熱源近似看作高斯分布，其表達(dá)式為[20]：

熱流分布曲線下所覆蓋的全部熱能為W，由積分運(yùn)算可得：

熱流曲線下熱能與電流和電壓相關(guān)，可得：

式中：η為熱效率，通常取90%[21]。

由式(10)和(11)可算得電子束斑中心最大熱流密度為：

2.3 試樣臨界狀態(tài)熱平衡的計(jì)算

若要使試樣表面達(dá)到微熔狀態(tài)，電子束束斑中心的最大熱流密度（mQ）須達(dá)到試樣表面臨界功率密度（q'），可得等式：

式中：試樣熔點(diǎn)θm取1500 ℃；θ0取常溫25 ℃；導(dǎo)熱率λ取52 W/(m·K)；t為一個(gè)掃描周期的時(shí)間（s），t=d/v（d=1 mm）；熱效率η取90%；電子束加速電壓U為60 kV；掃描半徑r0為2 mm；I為束流（A）。

由此可得，在CSEBP 方式下，45 鋼表面處于熔融臨界狀態(tài)時(shí)，工藝參數(shù)有如(14)式的函數(shù)關(guān)系，其中移動(dòng)速度的標(biāo)準(zhǔn)單位為 m/s。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 CSEBP 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

電子束拋光過程中，試樣表面處于微熔狀態(tài)，電子束功率密度與試樣表面熔融所需能量密度達(dá)到平衡狀態(tài)。試樣熔化所需能量密度僅與熱物性參數(shù)相關(guān)，但電子束功率密度與多項(xiàng)參數(shù)相關(guān)，如加速電壓、聚焦電流、掃描頻率、移動(dòng)速度等，故實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取較為復(fù)雜，而電子束實(shí)驗(yàn)機(jī)加速電壓為出廠定值，實(shí)際應(yīng)用中，掃描頻率不常改變，所以式(14)可簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取范圍。

為探究上述理論模型的準(zhǔn)確性，搭建電子束拋光驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。根據(jù)電子束機(jī)的工件移動(dòng)速度最大值15 mm/s，選取移速分別為3、7、11、15 mm/s 的四組試驗(yàn)參數(shù)，并將參數(shù)代入式(14)，得到對(duì)應(yīng)電子束的束流參數(shù)，如表1 所示。

表1 電子束拋光工藝參數(shù)Tab.1 Technological parameters of electron beam polishing

3.2 表面粗糙度

圖2a 為經(jīng)電子束處理前后的表面粗糙度變化曲線與對(duì)應(yīng)的表面形貌圖，四種參數(shù)下，表面粗糙度分別為1.26、0.67、0.43、0.83 μm。圖2b 為電子束處理后邊界區(qū)域的表面形貌，1#和2#試樣表面粗糙度雖有不同程度的降低，但局部出現(xiàn)了少量熔坑。根據(jù)前期研究結(jié)果[22]發(fā)現(xiàn)，熔坑是電子束拋光后的典型缺陷，其形成機(jī)制可概括為：材料的亞表面首先熔化，部分溫差較大的熔滴會(huì)沖破材料的表層噴發(fā)出來。由熔坑區(qū)域的EDS（圖3）分析結(jié)果可看出，熔坑區(qū)域的碳元素含量約為50%，氧含量上升1 個(gè)數(shù)量級(jí)，因此熔坑區(qū)域主要為碳氧化合物的雜質(zhì)，根據(jù)熱物性參數(shù)可知，碳氧化合物的傳熱性能低于鋼基體，因工件移動(dòng)速度較慢，表層及亞表層碳化物區(qū)域有較長的能量堆積時(shí)間，當(dāng)局部區(qū)域溫度高于周圍產(chǎn)生的溫差時(shí)，在靜態(tài)應(yīng)力作用下，該區(qū)域更易發(fā)生噴發(fā)現(xiàn)象。噴發(fā)所產(chǎn)生的熔坑尺寸較大（直徑約50 μm），在拋光期間內(nèi)，未能及時(shí)填補(bǔ)而直接凝固，從而形成熔坑缺陷。3#試樣表面形貌較為平整、光滑，銑削劃痕完全消熔，該參數(shù)下，熔融金屬較充分地流向銑削劃痕低洼處，使表面形貌得到極大改善。4#試樣表面雖能觀測(cè)到熔融痕跡，但銑削劃痕仍然清晰可見，說明該參數(shù)下電子束功率密度不足，熔化金屬未流至低洼處已發(fā)生凝固。

圖2 電子束處理后表面形貌分布圖Fig.2 Distribution of surface morphology after treatment: a) change curve; b) surface topography

圖3 熔坑區(qū)域EDS 分析Fig.3 EDS analysis of molten pit area: a) element analysis area; b) element content

綜合上述結(jié)果可知，電子束拋光過程極為復(fù)雜，熔坑缺陷是該方向亟待解決的問題，多次掃描很有可能成為消除缺陷較好的方法，因?yàn)槎啻螔呙柙谄鸬教峒儯ㄈコ嚇颖砻骐s質(zhì)）效果的同時(shí)，還能為填補(bǔ)凹坑提供充足時(shí)間。

3.3 仿真分析

采用COMSOL 軟件對(duì)45 鋼掃描電子束微熔拋光過程進(jìn)行模擬，模型尺寸與實(shí)際試樣尺寸一致，為50 mm×50 mm×50 mm，在xoy工作面選取50 mm×8 mm的區(qū)域作為電子束加工區(qū)域，并進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格劃分模型如圖4 所示[23-24]。電子束拋光過程中，最大溫度梯度可達(dá)105℃/s。為精確獲得45 鋼電子束掃描過程中溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，采用JMatPro 計(jì)算獲得1、10、102、103、104、105℃/s 六個(gè)梯度下，45鋼導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容與溫度相關(guān)的函數(shù)，因極高溫度梯度下熱物性模型趨于一致，所以104℃/s 和105℃/s兩個(gè)梯度下對(duì)應(yīng)的曲線幾乎重合，如圖5 所示。

圖4 有限元幾何模型建立和網(wǎng)格劃分Fig.4 Establishment of finite element geometric

圖5 材料熱物性參數(shù)Fig.5 Thermal properties of material: a) hermal conductivity; b) specific heat

建立掃描電子束微熔拋光的熱源模型，q(x,y,t)為掃描電子束熱源模型，滿足公式(15)：掃描電子束微熔拋光處理在真空環(huán)境中進(jìn)行，真空度為10–2Pa，故可忽略空氣熱對(duì)流造成的熱量損失。而熱輻射的傳遞不需借助任何介質(zhì)[25]，因此可認(rèn)為熱輻射為工件的主要散熱方式，滿足第三類邊界條件。熱輻射量由斯蒂芬-波爾茲曼方程[26]來計(jì)算：

式中：ε為試樣表面輻射率（黑度）；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)（W/(m2·K4)）；θc為試樣表面溫度（K）；θs為工作室溫度（K）。

在掃描電子束模型上選取不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的表層溫度場(chǎng)，如圖6 所示。可以發(fā)現(xiàn)，由1#試樣到4#試樣的表層最高溫度在不斷提升，4#試樣最高溫度可達(dá)2.31×103K，并且熱源形狀由圓形向帶有尾端的彗星狀轉(zhuǎn)變。這是因?yàn)殡S著電子束束流的增加，電子束功率密度同比例增加，高能量密度熱源隨著工件移動(dòng)，尾端熱量未能立刻散失，出現(xiàn)彗星狀。1#試樣單個(gè)掃描周期（從下束到表層溫度低于熔點(diǎn)）約需17.3 s，隨著工件移動(dòng)速度的增加，掃描周期不斷減小，4#試樣掃描周期降至3.6 s。

圖6 不同工藝參數(shù)下溫度場(chǎng)仿真結(jié)果Fig.6 simulation results of temperature field under different process parameters: a)1#sample; b) 2#sample; c) 3#sample; d) 4#sample

根據(jù)仿真結(jié)果可分析圖2 表面形貌變化原因。1#試樣表面出現(xiàn)了較多的褶皺和熔坑，由圖6a 可見，電子束掃描階段最高溫度多維持在1.62×103K，略高于45 鋼熔點(diǎn)溫度，但1#試樣單個(gè)掃描周期長達(dá)17.3 s，較長的電子束下束時(shí)間使45 鋼表層長時(shí)間處于熔點(diǎn)以上，從而造成碳化物溫度急劇升高，引起噴發(fā)現(xiàn)象[24]。2#和3#試樣的表面粗糙度較為接近，且表面形貌較為光滑，僅2#試樣出現(xiàn)少量熔坑，根據(jù)圖6b、c 可知，兩組熱源的最高溫度和掃描周期較為接近，熱源溫度和工件移動(dòng)速度相對(duì)適中，較為適合電子束拋光處理。4#試樣表面存在明顯的原始銑削劃痕，由圖6d 可知，雖然4#試樣的熱源溫度較高，但工件移動(dòng)速度較快，單個(gè)掃描周期內(nèi)產(chǎn)生的能量快速向基體傳導(dǎo)，造成能量流失過快，熱量無法集中，從而出現(xiàn)熔融不完整的現(xiàn)象[25]。

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與溫度場(chǎng)結(jié)果可得，電子束拋光過程中的熱源中心能量密度極大，基體散熱極快。電子束功率密度達(dá)到試樣熔融所需能量?jī)H是基本條件，掃描時(shí)間的長短決定了周期內(nèi)電子束對(duì)試樣表面做功的大小。因此，在后期研究過程中，電子束拋光應(yīng)充分考慮掃描時(shí)間對(duì)拋光效果的影響。

4 結(jié)論

本文采用一種新型連續(xù)掃描的電子束技術(shù)對(duì)45鋼表面進(jìn)行微熔拋光實(shí)驗(yàn)、溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)建模及仿真研究，針對(duì)不同工藝參數(shù)下的試樣表面粗糙度進(jìn)行深入分析，主要得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)所搭建的電子束數(shù)學(xué)物理模型，求得在該電子束機(jī)新型下束方式下，工件表面微熔狀態(tài)電子束束流與工件移動(dòng)速度之間存在的函數(shù)關(guān)系（/I=11.2）。

2）當(dāng)電子束束流為9.36 mA，工件移動(dòng)速度為11 mm/s 時(shí)，45 鋼可得到較好的表面形貌，表面粗糙度由2.0 μm 降至0.43 μm，降低幅度約為78.5%。

3）隨著工件移動(dòng)速度的增加，單個(gè)掃描周期減小，1#試樣出現(xiàn)熔坑褶皺。這是因?yàn)閽呙柚芷谶^長，能量積累，導(dǎo)致過度熔融。4#試樣仍存在銑削劃痕，是因?yàn)閽呙柚芷谶^短，能量流失過快。

4）多次掃描以及耦合掃描時(shí)間與電子束功率密度之間的關(guān)系，極有可能成為電子束拋光未來研究的熱點(diǎn)。