Лучевые методы обработки материалов (стр. 2 из 3)
При многотигельном испарении компоненты испаряются порознь, каждый из своего тигля, а конденсируются на подложке совместно. При однотигельном испарении поток пара создается и конденсируется, имея тот состав, который требуется для покрытия. Вариантом однотигельного испарения является процесс, аналогичный фракционной возгонке, когда из тигля с большим количеством расплавленного вещества его испаряют покомпонентно, изменяя мощность подогрева по определенному графику.
Испарение соединений сопровождается частичной или полной их диссоциацией, и получить из таких соединений простым испарением тонкие пленки заданного состава невозможно. Однако для ряда соединений. таких, как хлориды, сульфиды, селениды, теллуриды, а также полимеры, благодаря малой степени диссоциации или вследствие рекомбинации компонентов при конденсации, возможность теоретического напыления все же существует.
Промышленное применение электронно-лучевого испарения, благодаря его преимуществам, существенно потеснило традиционные способы испарения и открыло новые возможности.
Электронно-лучевая плавка металлов
Рис. 2.2 - Принцип электронно-лучевого переплава: 1 - электронная пушка; 2 - электронный пучок, направляемый на расплавляемый штабик 5 и ванну расплавленного металла 7; 3 - откачка вакуума; 4 - плавильная камера; 6 - капли переплавляемого металла; 8 - выплавляемый слиток; 9 - водоохлахдаемый кристаллизатор; 10 - устройство вытяжки слитка; 11 - смотровые окна
Электронно-лучевая плавка является весьма удобным способом получения слитков тугоплавких и химически высокоактивных металлов. Здесь используются такие особенности электронно-лучевой плавки, как высокая удельная поверхностная мощность в рабочем пятне пучка и наличие вакуума, препятствующего поглощению газов в ходе плавки. Областью применения электронно-лучевого переплава является производство особо чистых сталей и выплавка слитков и фасонных отливок из химически активных и тугоплавких металлов.
Процесс плавки изображен на рис. 2.2,где показано взаимное расположение электронной пушки, переплавляемой заготовки и кристаллизатора. Часть модности пучка расходуется для нагрева переплавляемого металла на торце заготовки до температуры плавления. Расплавляясь, материал в виде капель перетекает в ванну расплава в кристаллизаторе. Скорость плавки пропорциональна мощности пучка, приходящейся на расплавляемую заготовку. Другая часть мощностипучка подводятся в кристаллизатор. Она должна быть достаточной для того, чтобы материал в ванне находился в расплавленном состоянии вплоть до стенки кристаллизатора. Это дает возможность получать слитки с гладкой боковой поверхностью. Если кроме формирования такого слитка требуется проводить еще и рафинирование расплава, то мощность, подводимую в кристаллизатор, следует увеличить.
Электронно-лучевая плавка может сочетаться с литьем. Для этого необходимым элементом является литейный тигель, в котором материал расплавляют и поддерживают жидким в достаточном количестве. Литейный тигель может быть футерованным илимедным водоохлаждаемым. Керамическая футеровка тиглей и изложниц допустима только тогда, когда реакции материала футеровки с расплавом не происходят или когда они не наносят вреда качеству продукта.
Перспективы развития электронно-лучевой плавки обусловлены потребностями ядерной, аэрокосмической техники, электроники и химической технологии в особо чистых материалах, сохраняющих прочностные свойства при высоких температурах или обладающих высокой химической стойкостью.
В настоящее время в мире насчитывается несколько сотен электронно-лучевых плавильных установок, работающих в промышленности.
Электронно-лучевая плавка занимает прочные позиции в производстве слитков из ниобия и тантала. В металлургии титана и других высокоактивных и тугоплавких металлов, а также кремния, повышается значение электронно-лучевой плавки как способа переработки возвратных отходов производства.
Электронно-лучевая сварка
При электронно-лучевой сварке кинетическая энергия электронов пучка используется для того, чтобы расплавить жестко ограниченные участки примыкающих друг к другу деталей с тем, чтобы расплав, застывая, соединил детали. Положительной стороной электронно-лучевого способа сварки является возможность создания относительно высокой удельной поверхностной мощности в пятне пучка при достаточно высоких значениях мощности всего пучка. Ввиду того, что процесс электронно-лучевой сварки ведется в вакууме, этим способом можно сваривать детали из химически активных металлов.
Электронно-лучевая сварка позволяет получать сварные соединения с отношением глубины шва к его ширине, намного большим единицы, чего невозможно добиться другими способами сварки плавлением.
Процесс сварки протекает следующим образом. При достаточной поверхностной мощности электронного пучка в месте его встречи с поверхностью детали появляется небольшая ванночка с расплавом. Если увеличить удельную поверхностную мощность, сфокусировав пучок более остро, то в обрабатываемом материале образуется паровая полость - канал проплавления. Этот эффект называют эффектом глубокого (кинжального) проплавления. Нарушение оптимального режима электронно-лучевой сварки ведет к появлению в швах дефектов, причем даже на хорошо свариваемых материалах.
Лазерная обработка материалов.
Для обработки и сварки материалов используются твердотельные и газовые лазеры. Независимо от типа применяемого лазера и назначения лазерные технологические установки состоят из ряда аналогичных функциональных узлов и имеют общую структурную схему (рис. 3.1).
Рис. 3.1 - Структурная схема лазерной технологической установки: 1 - оптический квантовый генератор (лазер); 2 - лазерное излучение; 3 - оптическая система; 4 - обрабатываемый объект; 5 -устройство для перемещения обрабатываемого объекта; 6 - устройство для подачи защитного газа; 7 - источник вспомогательной энергии; 8 - программное устройство; 9 - датчик контроля параметров излучения; 10 - датчик технологическихпараметров
Основным источником энергии, обеспечивающим процесс обработки, является оптический квантовый генератор (лазер). Лазерное излучение формируется оптической системой в пучок с определенными пространственными характеристиками и направляется на обрабатываемый объект. При помощи оптической системы могут осуществляться также визуальный контроль положения обрабатываемого объекта относительно луча, наблюдение за ходом процесса обработки и оценка его результата. В лазерной технологической установке имеется также устройство для обеспечения перемещения обрабатываемого объекта в процессе обработки.
Лазерная поверхностная обработка
Улучшение эксплуатационных свойств металлических материалов при различных видах лазерной поверхностной обработки связано с изменением структурного состояния, фазового и химического составов поверхностных слоев. Используя лазерный пучок как концентрированный источник тепла, можно выполнять различные виды локальной термической обработки.
Для лазерного глазурирования, как правило, используют непрерывное излучение с плотностью мощности 104...107 Вт/см2. При перемещении обрабатываемой поверхности под лучом лазера (или луча по поверхности) тонкие слоя материала расплавляются и затем быстро затвердевают за счет передачи тепла низлежащим холодным слоям металла основы.
Лазерное оплавление можно использовать для поверхностного легирования или обработки покрытий. В последнем случае наблюдается залечивание дефектов (пор и трещин) и улучшается прочность сцепления покрытия с основой вследствие образования жидкой фазы, С помощьюлазера можно производить наплавку или напыление различных покрытий аналогично процессам дуговой, плазменной или пламенной наплавки или напыления.
Лазерная закалка принципиально отличается от объемной закалки тем, что она может протекать с оплавлением и без оплавления поверхности. Для лазерной закалки могут быть использованы лазеры как импульсного, так и непрерывного действия. Наиболее важные факторы, определяющие выбор типа лазера - глубина упрочнения и производительность процесса.
Практика работы с лазерным излучением показала, что лазерная термическая обработка металлов без оплавления поверхности практически невозможна без специальных технологических мер, повышающих поглощающую способность металла. Для получения стабильных результатов лазерной термической обработки на обрабатываемую поверхность перед облучением наносят соответствующие покрытия. Чаще всего для этой цели используют фосфаты марганца или цинка, различные краски, суспензии.
Широко возможности лазерного отжига используют в электронной промышленности. В отличии от обычного печного отжига с помощью лазерного луча можно осуществлять контролируемый по температуре и времени нагрев поверхностных слоев различных материалов на заданную глубину. При этом температура соседних участков металла практически не изменяется. Применение лазерного отжига вследствие локальности и кратковременности нагрева позволяет подавить диффузионные процессы и существенно улучшить характеристики полупроводниковых материалов и структур.
Лазерная резка
Разработка мощных и надежных лазеров на алюминий-иттриевом гранате и СО2, работающих в непрерывном и импульсном режимах, позволила осуществлять технологическую операцию лазерного разделения материалов, которой присущи следующие особенности: обширный диапазон разделяемых материалов; возможность получения узких разрезов и безотходного разделения; малая зона термического влияния; минимальное механическое воздействие, оказываемое на разделяемый материал; возможность автоматизации процесса; возможность резки по заданному профилю; улучшение гигиены производства.