立方晶格金屬掃描電子束拋光處理下表面建模與試驗研究
2022-02-12 04:00:28李新凱王榮魏德強董玉健黃宇燕
表面技術 2022年1期
李新凱，王榮，魏德強，董玉健，黃宇燕
立方晶格金屬掃描電子束拋光處理下表面建模與試驗研究
李新凱a,b，王榮a，魏德強a，董玉健a，黃宇燕a
（桂林電子科技大學 a.機電工程學院 b.機電綜合工程訓練國家級 實驗教學示范中心，廣西 桂林 541004）
探究掃描電子束作用下立方晶格金屬表面凸起的溫度隨掃描時間的變化規(guī)律。以銑削加工后的立方晶格金屬試樣為研究對象，通過數值模擬的方法剖析表面凸起形狀和一維熱傳導模型，采用理論和拋光試驗相結合的方法分析電子束能量密度、電子束作用時間與溫度之間的函數關系，并通過仿真軟件建立不同材料屬性、凸起形狀影響下的溫升曲線。銑削表面的凸起形狀可簡化為圓錐形、半橢圓形和半球形，表面凸起的溫度受到電子束能量密度、電子束作用時間以及起伏形貌參數比三個因素影響。凸起溫升速率與材料導熱性能正相關，當起伏的溫度高于熔點200 K時，45鋼與AZ91D鎂合金的表面粗糙度均有所降低。起伏形狀的溫升速率與形狀比正相關，且圓錐形凸起經三角函數擬合后的起伏溫升曲線和形狀比數值相似度較高。掃描電子束拋光處理立方晶格金屬表面時，通過建立凸起的溫度變化曲線，可指導電子束工藝參數選取，預測表面形貌變化。
立方晶格金屬；掃描電子束；拋光；起伏；能量密度；凸起；粗糙度
中國的“國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要”、美國聯邦政府的“先進制造伙伴計劃”、歐盟的“第七框架計劃”以及“地平線2020計劃”均將高精度高性能自由表面制造和微納制造列為優(yōu)先發(fā)展和重點支持領域。電子束微熔拋光技術因具有高集成化、高效率以及高精度的優(yōu)勢，成為具有多基本面形態(tài)的金屬材料表面微納無去除拋光的新研究熱點[1-2]。
自日本Okyama大學A. Okada教授團隊聯合三菱電機公司以及永田精機公司開發(fā)出電子束拋光設備后，為電子束拋光技術的科學研究提供了強有力的工具，為材料表面微納拋光的發(fā)展打開一扇新的大門。電子束微熔拋光效果受電子束功率密度影響顯著，并且過熔表面易出現火山坑和相裂紋。A. Okada教授[3-4]使用磨削處理和淬火之后的SKD11試樣進行電子束拋光對比試驗，發(fā)現兩組試樣的粗糙度基本相同，說明表面硬化對SKD11材料的電子束拋光效果無影響。后期采用電子束大面積輻照方法對NAK80材料進行拋光，發(fā)現原始粗糙度值越小，拋光之后的粗糙度也越小。同樣，胡建軍教授[5-7]采用40Cr進行電子束拋光試驗，粗糙度為0.086 μm的試樣經拋光后，粗糙度反增加至0.294 μm，說明原始粗糙度對電子束拋光效果影響較大，并且該技術對一些金屬材料的拋光能力有限。王榮團隊[8-9]針對模具鋼電子束拋光處理開展了深入研究，發(fā)現電子束工藝參數以及試樣傾斜角度均對拋光效果有顯著影響。
綜上所述，電子束拋光試驗多是通過改變電子束工藝參數或材料進行試驗，試驗參數選取相對經驗化，微熔拋光過程中，電子束功率密度與拋光表面熱作用的理論研究相對較少。本文以銑削平面為例，探究銑削形貌表面微凸起特性，通過對熱傳導過程的分析、計算、建模，分析立方晶格金屬表面形貌與電子束作用下溫度之間的內在聯系。
1 電子束拋光機理
電子束表面微熔拋光屬于熱拋光，其原理是利用高能電子束掃描金屬材料表面，電子束動能在短時間內轉化為加熱金屬的熱能，產生熔化和蒸發(fā)現象，從而實現材料表面的“自拋光”效果。拋光過程存在兩個不同的作用機理：一是SSM（Surface Shallow Melting，表面微熔）機理，二是SOM（Surface Over Melting，表面過熔）機理[10]。
機加工處理后的金屬表面大多存在規(guī)律性微米級起伏、凹坑等，高能電子束作用于表面時，當電子束功率密度達到閾值，表面微凸起部分（以下簡稱凸起）達到熔點溫度而快速熔融，金屬表面只有凸起部分熔化，則熔融金屬在重力和表面張力復合作用下，流向曲率低（即曲率半徑大）的地方，直至表面曲率趨于一致，同時，液固界面以每秒數米的速度凝固，最終形成光滑平面。SSM機理下的電子束微熔拋光，電子束能量密度較小而加工速度極快，作用機理如圖1所示。若電子束拋光過程能量密度較大或拋光速度較慢，金屬表面熔融時間過長，會出現過熱現象，拋光層向基體處延伸，材料表面平整度和表層力學性能均會降低。如圖2所示，掃描電子束下束時，在熔池與凝固區(qū)之間的溫差作用下，產生質量流動現象，熔池表面張力隨溫度升高而減小，產生將熔融液體從電子束中心（溫度最高處）向凝固區(qū)推動的力，而熔池曲面和重力阻礙液體流動，從而形成小波動。
圖1 拋光前后金屬材料表面的形態(tài)
圖2 表面過熔機理
因此，若要實現良好的拋光效果，應當控制電子束能量密度大小和電子束作用時間，實現凸起熔化且完全填補凹坑的目標。
2 金屬材料表面拋光建模
任何材料表面沒有絕對的光滑，超精加工成為現代工業(yè)發(fā)展的趨勢。在電子束拋光研究過程中，需要精確控制電子束能量密度，實現表面起伏的熔化。因此，首先要對機加工表面的形貌進行分析，得到理論計算所需的數學物理模型，進而仿真拋光初期到拋光完成材料表面溫度的一系列變化，以獲得合理的電子束拋光工藝參數。
2.1 表面三維模型的表述
圖3a為三維輪廓儀所拍攝銑削試樣表面三維形貌，發(fā)現材料表面凹凸不平，布滿凸起和溝壑，且表面凹凸均為不規(guī)則形狀。根據粗糙度曲線（圖3b）可見，凸起尖角平均寬度約為2 μm，凸起高度集中在0.2～1.0 μm，表面粗糙度（）為0.8 μm。因凸起形狀復雜，為方便研究，將凸起簡化為三種典型形狀：圓錐形、半橢圓形、半球形，如圖3d、e、f。
圖3 試樣三維表面形貌及起伏形貌
2.2 電子束拋光作用下的表面建模
為探究電子束拋光過程中表面粗糙度對微熔狀態(tài)下電子束能量密度的影響規(guī)律，作出以下基本假設[11]：
（1）掃描電子束加工過程中能量密度分布均勻，在不同起伏形貌下的溫度分布均勻；
（2）電子束拋光過程中，忽略因表面起伏形貌所引起的非焦點效應；
（3）掃描周期內，表面凸起分布均勻；
（4）材料的熱物性參數不變；
（5）電子束束流視為垂直入射，熱輻射、X射線、二次電子等損耗忽略不計。
圖3c為單個凸起下的準靜態(tài)物理模型，其中0為單個凸起體積，0為該凸起的底面積，0為電子束拋光過程中凸起的溫度，為凸起高度，s為基體所吸收的能量。
2.3 閾值計算
因表面凸起的尺寸較?。ㄎ⒚准墸?，電子束掃描區(qū)域內所有凸起的溫度均勻，由此可建立凸起（=0）與基體之間的溫度關系，如式(1)所示：
式中：U為加速電壓；I為電子束束流；r為電子束掃描半徑，設定為2 mm；l為單個凸起的平均寬度，設定為2 μm；v為電子槍移動速度，。
由一維熱傳導模型可求得電子束作用下表層熱量傳到基板的方程為：
掃描電子束加工金屬材料表面過程中，材料表面溫度有三種情況：當凸起受熱溫度低于熔點時（0<T），表面粗糙度主要受到熱應力和表面張力影響，f=v=0；凸起的溫度處于熔點與沸點之間時（m<0
基于以上數學模型研究三種立方晶格金屬（45鋼、AZ91D鎂合金、Ni）表面凸起的溫度與試驗變量之間的內在聯系，材料的熱物理屬性如表1所示[13-14]。
表1 45鋼、AZ91D鎂合金、Ni的熱物理性能
Tab.1 Thermal physics properties of 45 steel, AZ91D and Ni
3 數值模擬結果與分析
為探究凸起的溫度與相關變量之間的內在關系，采用MATLAB軟件，模擬不同設定條件下立方晶格金屬表面凸起的溫度變化。試驗采用HDZ-6F型電子束高壓數控真空集成系統(tǒng)設備，如圖5所示。電子束加速電壓為固定值60 kV，電子束掃描頻率為200 Hz，單個周期內電子束照射時間為0～0.005 s，因熱作用所需時間較短，為清晰顯示曲線規(guī)律，選取0～0.0005 s作為研究區(qū)間，電子束束流為7 mA。
圖5 HDZ-6F型電子束機
3.1 不同金屬材料對凸起溫度的影響規(guī)律
以圓錐形凸起形狀為例，探究材料屬性對凸起溫度的影響規(guī)律。為定量（7 mA），由式(3)可確定電子束能量密度與作用時間的關系，將三種材料的物理參數帶入式(6)，通過MATLAB求解可得圖6。由圖6可見，三種金屬材料的溫升曲線均呈非線性關系，Ni因導熱性能最好，溫升曲線的曲率最小，在=3.9× 10–4s時，達到熔點溫度，掃描周期內的最高溫度為1958 K，略高于熔點溫度；AZ91D鎂合金因熔點較低，在=4.3×10–5s時就已達到熔點溫度，之后鎂合金凸起的溫度持續(xù)升高，直至達到最高溫度2310 K；45鋼因導熱系數最低，溫升曲線上升幅度最大，在=2.3×10–4s時達到熔點溫度。
圖6 不同材料表面凸起的溫度變化曲線
45鋼表面粗糙度隨著凸起溫度的增加而先減小后增大，AZ91D鎂合金的表面粗糙度在研究區(qū)間內隨著溫度的增加而降低，且表面粗糙度均低于原始粗糙度，Ni表面的粗糙度不斷增大且數值較大。為進一步探究不同材料在不同凸起的溫度下粗糙度的變化原因，在凸起溫度高于熔點200 K的條件下處理表面，并對表面進行三維形貌分析。由圖6的實際拋光型面與圖7可見，45鋼表面較為平整、光滑，銑削劃痕完全消熔，=0.329 μm。由三維形貌圖中所選軸線繪制所得輪廓曲線可見，該軸線上輪廓的平均高度為0.32 μm，起伏較為均勻且平緩。該參數下，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[16]。AZ91D鎂合金試樣表面雖能觀測到熔融痕跡，但局部仍有銑削劃痕，=0.524 μm。輪廓曲線有連續(xù)三處規(guī)律性的大尺寸起伏，起伏高度可達0.624 μm，與原始銑削劃痕起伏輪廓相吻合，大尺寸起伏兩側輪廓線較為平緩，相對銑削形貌有顯著改善，由于鎂合金熔點較低且導熱性能良好，在極短的電子束作用時間內，表層熱量未能有效積累，快速向基體流失，熔化金屬未完全填補低洼處即已凝固。Ni表面出現熔坑缺陷，表面過度熔融且粗糙度高于原始試樣，=1.64 μm。由輪廓曲線可見，輪廓中部出現寬度約300 μm、深度約0.5 μm的熔坑。根據SOM機理和其他學者的研究發(fā)現，可將其形成機制概括為：當電子束能量密度較大時，內部能夠進行能量累積，并在次表層聚集較高能量，導致表層溫度超過相變溫度，發(fā)生了部分重熔，體積發(fā)生膨脹，形成較大的應力，局部凸起進一步長大，發(fā)生噴發(fā)和飛濺，當噴發(fā)區(qū)未能及時填補而直接凝固時，將會形成熔坑缺陷[17-19]。結合Ni的溫升曲線，可以得出，由于Ni導熱性能良好，當凸起的溫度達到熔點時，需要較長作用時間，亞表層能量積累較多，為局部區(qū)域噴發(fā)提供了條件[20-21]。
表2 電子束拋光試驗與結果
Tab.2 Electron beam polishing test and results
圖7 高于熔點200 K電子束作用下試樣表面形貌
綜合以上結果與分析，電子束表面拋光對能量密度要求極高。對于諸如鎂合金等低熔點、高導熱的材料，為控制表層溫度高于熔點溫度，需極快的掃描速度或較低的電子束參數。因電子束設備移速可調范圍有限且參數精度較難把控，可考慮低功率電子束流多次掃描的方法，逐漸降低表層粗糙度。對于諸如鎳等高熔點、高導熱的材料，需要較長掃描時間，表層易出現過度熔融現象，可考慮在表層增加有助液態(tài)金屬流動性能的元素，以促進熔坑的填補，從而降低表面粗糙度。
3.2 不同凸起形狀對表面溫度的影響規(guī)律
式中：A=h=Ra/2，Ra為材料表面輪廓算數平均偏差；為表面凸起的平均間距；b為初相。
將三種典型形狀（圓錐形、半橢圓形、半球形）及cos函數特征數值帶入式(6)進行求解，其中= 0.5 μm，求解的值大于材料熔點溫度。由計算結果圖8b、c、d可見，凸起的溫度均隨掃描時間的增加而增加，且不同形狀凸起的溫差隨時間增加而增大。
當電子束作用時間均為4.5×10–4s時，45鋼圓錐形凸起的溫度與半圓形凸起的溫度有最大溫差127 K，AZ91D鎂合金的溫差次之，Ni有最小溫差49 K。結合表1與圖6總結出，電子束作用試樣時，不同凸起形狀之間的溫差與材料導熱性能直接相關，導熱性能良好的材料因凸起的溫度快速向基體傳導，溫升較慢，從而不同形狀凸起的溫差較小[23-25]。
對比不同凸起形狀的溫升曲線，三種材料中，半橢圓形溫升最快，圓錐形次之且與cos函數擬合形狀溫升極為接近，半球形凸起溫升最慢。為明確凸起形狀的溫升關系，對不同凸起形狀的0/0值進行計算，其中，cos函數形狀比通過MATLAB擬合所得。由表3可看出，不同凸起高度下，各類形狀凸起的0/0值規(guī)律一致，其中，半橢圓形的形狀比最大，圓錐形次之，半球型最小，cos函數擬合數值與圓錐形數值最為接近，差值在8%～9%。
表3 不同凸起形狀0/0值
Tab.3 A0/V0 value for different protrusion shapes
因此，由凸起溫升曲線和形狀比計算可得出，在求解掃描電子束作用下凸起的溫度變化時，圓錐狀凸起與銑削型面的三角函數形貌有較高擬合度，在計算過程中，三角函數擬合形貌運算量、仿真時間步長以及復雜程度上均遠高于圓錐狀函數值，因此在求解過程中，可用圓錐狀凸起函數作為原始形貌進行求解。
4 結論
本文采用掃描電子束技術對立方晶格金屬表面進行微熔拋光試驗、表面起伏傳熱建模、溫度曲線擬合等研究，針對不同材料屬性和起伏形貌下試樣表面凸起的溫度進行深入分析，主要得到以下結論：
1）試樣表面凸起的溫度受到凸起吸收電子束能量、熱傳到基板的能量以及材料熔化與蒸發(fā)潛熱的能量三個因素影響，電子束拋光過程應將凸起的溫度控制在略高于熔點以上。
2）凸起溫升速度受到材料導熱性能、電子束能量密度及作用時間的復合影響。45鋼表面溫度高于熔點200 K時，為0.329 μm，拋光效果良好，鎂合金熔點較低且導熱性能良好，凸起的溫度適當增加有助于表面粗糙度的改善，而鎳與此規(guī)律相反。
3）圓錐形凸起形貌與銑削cos函數擬合形貌有較高的相似性，溫升曲線重合度較高，在計算過程中，可替換運算復雜程度較高的cos函數擬合形貌。
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Surface Modeling and Experimental Research of Cubic Lattice Metal Polished by Scanning Electron Beam
a,b,a,a,a,a
(a.School of Mechanical and Electrical Engineering, b.National Demonstration Center for Experimental Education of Mechanical and Electrical Engineering Training, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)
This paper aims to determine the variation between the temperature on the surface protrusion of cubic lattice metal polished by scanning electron beam and the scanning time. The cubic lattice metal sample after milling was chosen as the research object, the surface protrusion shape and the one-dimensional heat conduction model were analyzed by numerical simulation, the functional relations between the temperature and the electron beam energy density or the electron beam action time were studied by combining theory and polishing test, and the temperature rise curves under the influence of different material properties and protrusion shapes were established through simulation software. The protrusion shape of the milling surface can be simplified into conical, semi-elliptical and hemispherical shapes; the temperature on the surface protrusion was affected by three factors: electron beam energy density, electron beam action time, and undulating topography parameter ratio; the protrusion temperature rise rate is positively correlated with the heat conductivity of materials. When the fluctuating temperature is 200 K higher than the melting point, the surface roughness of 45 steel and AZ91D magnesium alloy is reduced; the temperature rise rate of the fluctuating shape is positively related to the shape ratio, and the temperature rise curve and the shape ratio value of the conical protrusion is similar to those fit by. trigonometric function. When the cubic lattice metal surface is polished by scanning electron beam, by establishing the protrusion temperature change curve, the selection of electron beam process parameters can be guided to predict its surface topography changes.
cubic lattice metal; scanning electron beam; polishing; fluctuation; energy density; protrusion; roughness
2021-03-10；
2021-05-26
LI Xin-kai (1993—), Male, Ph. D. Candidate, Research focus: electron beam surface modification.
魏德強（1963—），男，碩士，教授，主要研究方向為新材料新工藝。
Corresponding author：WEI De-qiang (1963—), Male, Master, Professor, Research focus: new materials and new technology.
李新凱, 王榮, 魏德強, 等.立方晶格金屬掃描電子束拋光處理下表面建模與試驗研究[J]. 表面技術, 2022, 51(1): 212-219.
TG580.692
A
1001-3660(2022)01-0212-08
10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.022
2021-03-10；
2021-05-26
國家自然科學基金（52165057）；廣西高校中青年教師基礎能力提升項目（2020KY05026）；廣西自然科學基金項目（2020JJB160001）；桂林電子科技大學研究生教育創(chuàng)新計劃資助項目（2021YCXB02，2021YCXS019）
Fund：National Natural Science Foundation of China (52165057), the Basic Ability Improvement Project of Young and Middle-aged Teachers in Guangxi Universities (2020KY05026), Guangxi Natural Science Foundation Project (2020JJB160001), Innovation Project of GUET Graduate Education (2021YCXB02, 2021YCXS019)
李新凱（1993—），男，博士研究生，主要研究方向為電子束表面改性。
LI Xin-kai, WANG Rong, WEI De-qiang, et al. Surface Modeling and Experimental Research of Cubic Lattice Metal Polished by Scanning Electron Beam[J]. Surface Technology, 2022, 51(1): 212-219.
