電子束技術在材料加工中的應用

電子束加工是以高能電子束流為熱源，對工件或材料進行的不同於傳統機械加工的特殊加工方法。電子束加工可簡稱為EBM（Electron Beam Machining），是由德國的物理學家施泰格瓦爾德發現的。按照電子束加工所產生的效應，一般分為兩大類，一是電子束熱效應，二是電子束化學效應。

在真空條件下，電子由電子槍的陰極發出，通過聚束極匯聚成電子束，在電子槍的加速電場下，電子的速度被提高接近或達到光速的一半，具有很高的動能。電子束再經過聚焦線圈和偏轉線圈的作用，匯聚成更細的束流，束斑的直徑為數微米至一毫米，在特定應用環境，甚至可以小到幾十納米，因此，其能量非常集中，電子束的功率密度可高至109W/mm2。當電子束轟擊材料時，電子與金屬的碰撞失去動能，大部分能量轉化成熱能，使材料局部區域溫度急劇上升並且融化，甚至氣化而被去除，從而實現對材料的加工。電子束的熱效應就是將電子束的動能在材料表面轉化成熱能，以實現對材料的加工。通過電子束的熱效應可以完成電子束熔煉、電子束熱處理、電子束打孔、電子束焊接、表面改性、電子束快速成形等加工工序。

                           

圖1電子束加工過程示意圖

功率密度相當低的電子束照射到工件表面上，幾乎不會引起升溫，但這樣的電子束照射到高分子材料時，就會由於入射電子與高分子相碰撞而使其分子鏈斷裂或重新聚合，從而導致高分子材料的分子量和化學性質發生變化，這就是電子束的化學效應。電子束光刻技術就是電子束化學效應的典型實例，本文對電子束光刻技術不做研究。

早在20世紀50年代，第一臺電子束加工設備便是由Kar-Heniz Steigerwald博士發明的電子束打孔機。它主要利用高能、會聚的電子束來熔化和汽化材料形成小孔。電子束打孔的電子束能量密度要求達107~108W/cm2，並要求電子束斑點更圓、控制更準確。電子束打孔過程為：如圖2.

→材料表面被電子束轟擊、熔化。

→材料熔化後、電子束更易穿透液態材料，並汽化材料形成空穴。

→在電子束作用下，空穴快速擴展，直至貫穿材料。

→電子束進入工件下粘貼的輔助材料，使其蒸發、產生噴射幹涉、將空穴周圍的殘餘的熔化材料吹出，形成小孔。

圖2電子束打孔過程示意圖

圖3電子束打孔的樣品放大圖

(a)生產玻璃纖維產品的噴絲頭（孔的正面）  (b)由電子束鑽孔的燃燒室機匣冷卻孔

(c) 燃氣渦輪組件上的孔      (d) 渦輪葉片冷卻空氣孔

圖4典型電子束打孔零件

電子束焊接是利用高速電子會聚形成的電子束流轟擊工件產生的熱能使被焊金屬融合的一種焊接方法。電子束焊具有焊縫熔深大、熔寬小、熔縫純度高的特點，多用於高質量要求的結構的焊接，即可焊接薄板，也可焊接大厚度結構，目前已在航空、航天、核、汽車、壓力容器以及工具製造等工業中得到廣泛的應用。

圖5西亞基電子束焊接系統

電子束焊的原理如圖6，高能的電子束流撞擊工件表面，電子動能轉變為熱能而使金屬熔化和蒸發，工件表面熔化金屬被金屬蒸汽反衝擊力排開而使電子束撞擊深處的固態金屬，從而在被焊工件上迅速鑽出一個小孔，小孔周圍被液態金屬包圍，隨著電子束與工件的相對移動，液態金屬沿小孔周圍流向熔池後部，並冷卻凝結成焊縫。圖7為電子束焊接與傳統焊接相比焊接效果的區別。圖8、9為電子束焊接的工業零部件。

圖6電子束深焊接效果示意圖

A－接頭局部熔化； B－「匙孔」形成；C－電子束穿透工件； D－焊縫凝固形成；

圖7傳統焊接與電子束焊接的區別

圖8電子束焊接的零部件

圖9航空工業中電子束焊接的部件

電子束與金屬表層原子碰撞產生能量傳遞，所傳遞的能量立即以熱能的形式傳給金屬，從而使表層金屬溫度迅速升高，使表層成分和組織結構發生變化，達到表面改性的效果。電子束表面改性大致分為四類：電子束表面淬火、電子束表面重熔處理、電子束表面合金化處理和電子束表面非晶化處理。

電子束表面淬火可用於各種碳鋼及合金鋼。淬硬層深度隨設備功率增大而增加，隨掃描速度增大而減小。電子束高速轟擊工件表面後，使得金屬表層急速升溫，在極短時間內達到1000℃，使之達到奧氏體狀態，但工件表層以下未受到電子束轟擊的區域溫度未變，仍處於冷態。當電子束離開後，表層的熱量向冷態傳導而以很快的速度冷卻，完成工件表面的「自冷」淬火。在相變過程中，奧氏體化時間很短，故能獲得超細晶粒組織，這是電子束表面淬火最大特點。

圖10亞共晶鑄鐵(2.19% C)的鋼試樣電子束淬火及回火後堆焊層：

a,b,d,f－光學顯微鏡；c－掃描電鏡；e－透射電子顯微鏡

電子束表面重熔處理是利用電子束轟擊金屬表面，使表面產生局部熔化並快速凝固化，從而獲得細小晶粒組織，提高表面強度與韌性。此外，電子束重熔可使表層中各組成相得化學元素重新分布，降低元素的微觀偏析，改善工件的表面性能。

電子束表面合金化處理是電子束轟擊工件過程中，材料表面會發生熔化，若在熔池中添加合金元素即可進行電子束合金化。形成的合金層，主要用來提高表面的耐磨、耐蝕與耐熱性能。

圖11鋁合金的電子束重熔以及合金化處理

電子束表面非晶化處理與雷射表面非晶化處理相似。由於電子束的能量密度很高，在電子束極短的轟擊時間內，金屬表層迅速熔化，造成熔化區與基體的溫度梯度很大。這樣，隨後的冷卻過程中，熔化區得到急冷，金屬液來不及結晶而形成非晶態。

電子束毛化技術是英國焊接研究所（TWI）Bruce Dance等人近年來發明的一種新型電子束表面加工技術，它藉助於電磁場對電子束進行複雜掃描控制而在金屬材料表面產生特殊的成形效果，是在複雜磁場控制下電子束使金屬快速熔化、流動、堆積和凝固的複雜冶金過程。電子束重複掃描過程中，熔池後端逐漸形成一定形狀和大小的「凸起」（毛刺），在熔池前端形成凹坑或者凸槽狀的「刻蝕」，毛刺的生產過程如圖。

圖12毛刺特徵過程形成示意圖

圖13幾種典型的金屬毛化表面

金屬「毛化」特徵各種各樣，如圖14，有高寬比尖峰，無毛刺孔，葉片通道、漩渦等。

         

圖14金屬各種「毛化」特徵

圖15北京航空製造工程研究所實現的電子束毛化技術

英國焊接研究所正在研究將電子束「毛化」技術應用到金屬與複合材料的連接技術上，將這種技術稱為Comeld技術。該技術先通過電子束「毛化」在金屬表面上形成毛刺，預處理後將複合材料置於金屬上，通過加溫、加壓共同固化，即可得到這種金屬和復材連接的Comeld接頭，如圖14所示。

圖16用於金屬/複合材料連接的Comeld接頭

根據TWI的研究，這種Comeld接頭比傳統的同尺寸接頭能承受更高的載荷，斷裂前吸收的能量也遠高於後者，而且可以通過優化毛刺的結構及分布形式提高這種接頭的韌性。此項技術在未來飛機金屬與複合材料連接領域有著重要的應用。

另外，電子束「毛化」技術還可以用在金屬材料的表面改性如塗層製備上，如圖17所示。這種表面處理技術在促進基質與塗層的粘合方面具有非常廣闊的應用前景。它可以通過增加表面粗糙度來增加塗層附著力，避免分層。毛刺的形狀與尺寸可以影響塗層的微觀組織，甚至可以改變塗層表面上的裂紋生長機理。同時，凹入特徵改善了同鄰接部件的機械互鎖，而突出特徵有助於關節界面均勻分布應力。該技術的靈活性還可應用於定製特殊表面，例如，將突起特徵排列在最大應力的方向，或者改變結構特徵的密度使部件上應力均勻分布。由於該工藝在真空下完成，生成的表面非常潔淨，有助於連接應用。

（a）電子束「毛化」鈦合金表面    （b）噴塗塗層後的表面

（c）鈦表面的熱噴塗氧化鋁塗層橫截面

圖17電子束毛化技術在塗層製備上的應用

電子束成形是一種集成了計算機、數控、電子束和新材料等技術而發展起來的先進位造技術。電子束在計算機的控制下按零件截面輪廓的信息有選擇地熔化金屬材料（粉末或絲材），並通過層層堆積，最終實現緻密金屬零件的近淨成形直接製造。

電子束成形技術可分為兩類：一類是基於鋪放粉末的電子束熔化快速成形技術EBM（Electron Beam Melting）,另一類是基於送進絲材的電子束自由成形製造技術EBF3（Electron Beam Freeform Fabrication），或稱之為電子束實體自由製造技術EBSFF（Electron Beam Solid FreeformFabrication）。

EBM技術創新於90年代初期的瑞典，適合小型複雜結構的精密無餘量成形，具有很高的精度和成形質量，已被廣泛用於航空、航天、汽車、醫療等行業。圖18即為EBM成型件。

圖18 EBM成型件

EBM技術可用於航空發動機或飛彈用小型發動機多聯葉片、整體葉盤、機匣、增壓渦輪、散熱器、飛行器筋板結構、只做、吊耳、框梁、起落架結構的製造，因為這些結構複雜，用傳統機械加工費時費料，加工難度較大，但通過EBM技術，能夠在短時間內獲得性能滿足要求的近淨成形結構，經過少量的表面處理即可投入使用。

（a）霍尼韋爾htf7000渦扇發動機的設計管     （b）火箭噴嘴

（c）推進器                             （d）葉片

圖19 EBM技術在航空領域的典型應用

基於熔絲的沉積的電子束快速沉積原理見圖20，計算機把零件的三維CAD模型進行分層處理，獲得各層截面的二維輪廓信息並生成加工路徑，在真空環境中，高能量密度的電子束轟擊金屬表面形成熔池，送絲裝置將金屬絲材送入熔池並熔化，同時熔池按照預先規劃的路徑運動，金屬凝固，逐線、逐層堆積，形成緻密的冶金組合，製造出金屬零件或毛坯。

圖20電子束熔絲沉積技（EBF）術原理圖

EBF技術適用於大型結構的快速、近淨成形製造，美國國家航空航天局蘭利研究中心、美國西亞基公司是該領域重要的研究單位。蘭利研究中心和西亞基公司都是從2000年開始對電子束熔絲沉積進行了研究。圖21、22、23是電子束熔絲沉積技術製備的一些零部件。

圖21 EBF成型件

圖22 EBF技術製造的筋板

圖23飛機機翼翼盒

國內於2006年開展這項技術的研究，開發出國內首套電子束熔絲沉積成形系統，研製的鈦合金零件現已裝機飛行。