电子束表面抛光研究进展

电子束抛光研究进展魏德强李新凯王晓兵（桂林电子科技大学桂林541004）摘要：随着现代制造业的发展，人们对于工件表面的精密性和质量提出更高层次的要求，而抛光工艺不但影响产品的使用性能而且也影响着产品的档次。传统的抛光工艺存在着一些难以克服的问题，已很难满足当前对高质量工件表面性能的需求，作为新型非接触式抛光工艺的一种——电子束抛光，在目前的研究领域展现出显著的优势。本文概述了几种抛光技术的优缺点，并重点介绍了一种新型材料表面处理技术——电子束抛光，阐述了电子束表面抛光的基本原理及国内外电子束抛光的发展。介绍了电子束抛光作为一种新型表面抛光方法在研究领域中的应用，并综述了近年来电子束抛光研究的发展动态，简述了国内外相关领域的主要研究成果及取得的进展，包括电子束抛光机理的研究、不同材料电子束工艺参数的确定、入射角度对抛光效果的影响、物理模型的建立以及电子束抛光产生的熔坑、裂纹研究，并对电子束抛光技术未来的发展方向和前景做出了展望。电子束抛光技术作为一种极具优势的高能束表面改性技术将占据无法替代的地位。关键词：电子束抛光材料表面处理表面性能传统抛光综述发展机理中图分类号：TN29文献标识码:AElectronBeamPolishingTechniqueAndApplicationsWEIDeqiangLIXinkaiWANGXiaobing(GuilinUniversityofElectricalTechnology,Guilin541004,China)Abstract：Withthedevelopmentofmodernmanufacturing,precisionofworkpiecesurfaceandqualityputforwardhigherrequirements,andtheuseofpolishingprocessnotonlyinfluencetheproductperformanceandalsoaffectsthegradeoftheproduct.Traditionalpolishingprocesstherearesomeinsurmountableproblems,hasbeendifficulttomeetcurrentdemandforhighqualitysurfaceperformance,asakindofnewcontactlesspolishingtechnology,electronbeampolishing,showasignificantadvantageinthefieldofthepresentstudy.Thisarticlesummarizestheadvantagesanddisadvantagesofseveralkindsofpolishingtechnology.Inthispaper,anewmaterialsurfacetreatmenttechnologyisintroducedwhichiselectronbeampolishing,expoundsthebasicprincipleofelectronbeampolishingandthedevelopmentofelectronbeampolishingathomeandabroad.Electronbeampolishingisintroducedasanewtypeofsurfacepolishingmethodapplicationinthefieldofresearch,andelectronbeampolishingresearchdevelopmentsinrecentyearswerereviewed,introducedthemainresearchresultsandprogress,includingthepolishingmechanismofelectronbeam,electronbeamprocessparametersdeterminationofdifferentmaterials,theinfluenceofincidentAngleonthepolishingeffect,theestablishmentofphysicalmodelandpolishingofelectronbeammeltingpitresearchofcrack,andtheelectronbeampolishingtechnologyhasmadetheoutlook.Summarizedthedomesticandforeignrelevantresearchresultsandprogressinthefieldof,electronbeampolishingtechnologyhasmadetheprospects.Electronbeampolishingtechnologyasakindofextremelyhasadvantagesofhighenergybeamsurfacemodificationtechnologywilloccupytheirreplaceableposition.Keywords：ElectronbeampolishingSurfacetreatmenttechnologyofmaterialSurfaceperformanceTraditionalpolishingDevelopmentMechanism收稿日期：2015-12-26修回日期:2016-01-27Received:2015-12-26Revised:2016-01-27基金项目：桂林市科学研究与技术开发计划项目（20150105-3）；桂林市科学研究与技术开发计划项目（20140101-7）Fund:Guilinscienceresearchandtechnologydevelopmentproject（20150105-3）；Guilinscienceresearchandtechnologydevelopmentproject（20140101-7）作者简介：魏德强(1963－),男,教授，副院长，主要从事材料表面处理的研究;电话:[phone];E-mail：[e-mail]:WEIDe-qiang(1963—)，Male，Professor,Deputydean,Engagedintheresearchofmaterialsurfacetreatment;Tel:[phone];E-mail：[e-mail]引言据统计，在机械制造行业中，真正因零件的断裂或变形而引起的零件失效不足20%，绝大多数零件失效而更替是由于其表面失效造成的。提高材料的表面性能，是延长零件使用寿命、合理配置性能、保障系统稳定性的关键。而抛光处理是材料表面加工的关键工序，所以各工业发达国家都深入地开展了这方面的研究。材料表面抛光主要目的是降低表面粗糙度，提高表面性能要求。目前，对材料表面抛光主要方法有以下几种：机械抛光、电解抛光、化学机械抛光、化学抛光、激光抛光等。机械抛光是目前工业生产中应用最为广泛的加工方法，将在很长一段时间内起着主导作用，但其速率较低，成本高，此外机械抛光产生的热量和振动会导致工件的加工硬化及内应力；电解抛光可以增加工件表面抗腐蚀性且成本低廉，主要应用于原始表面粗糙度较低的金属制品，如反射镜、不锈钢餐具、装饰品等。但电解抛光质量与电解液及电流电压的规范有关，需要经过大量实验获得，所以难以广泛应用。化学机械抛光引起的冲击与振动会使工件受损；激光抛光成本较高，难以大量投入实际生产。电子束抛光技术是21世纪以来出现的新型材料表面处理技术，它是用高能密的电子通过聚焦形成电子束轰击材料表面，而使其表层熔化或蒸发从而获得粗糙度较低，机械性能较好的加工技术。传统抛光主要针对形状简单的平面进行，电子束抛光可以应用于曲面、轴承甚至孔的抛光中[1-2]。是一种很有应用前景的新型材料表面加工技术。1电子束抛光的机理高能电子束表面抛光是近年来发展起来的技术。在真空度为1.33x10-2Pa～1.33x10-4Pa的真空室中，电子束装置开机预热约半小时，灯丝加热到发射电子的温度，溢出的电子由电子枪的阴极发出，经阳极电压加速并通过聚焦线圈汇聚成电子束流，通过改变聚焦线圈和偏转线圈的参数可以控制束流的大小和通断，以适应不同功率的需要。电子的速度会被提升到接近或达到光速的一半，电子将具有很高的动能。电子束（功率密度为106～109W/cm2）再经过聚焦线圈和偏转线圈的作用，汇聚成更细的束流，束斑的直径可达到微米级。当高能电子束撞击工件表面时，电子与金属表面发生碰撞而失去动能，电子的动能转化为熔化材料的热能，在很短的加工时间内材料近表面区域积累大量的热能,材料表面温度迅速升至工件熔点,表层材料中低熔点的杂质甚至气化而被直接去除，从而起到提存的作用，而基体的温度基本保持在室温。由于液态金属的流动性，熔融金属会向曲率较低的方向流动，直至表层液态金属各处曲率趋于一致，其过程中可填充表层材料的机械加工痕迹和凹坑，从而达到自抛光的效果。同时,因表层与基体之间巨大的温差使得表层的热量迅速向基体扩散，已加工区域的熔融部分会快速的凝固,最终获得光滑平整的表面，从而达到抛光的效果。在加工中需要注意的是材料熔融状态不应太长，因为表层热量会向工件内部传导，会使工件基体性能受到影响。因此，在电子束抛光过程中需要保持很高的温度梯度，以便材料的快速冷却[4-7]，从而获得一般冷却速度下无法得到的化合物、过饱和固溶体以及微小晶粒，在实现表面抛光目的的同时可提升材料表面的抗腐蚀性、耐磨性、热强性等物理化学性能。图1为电子束抛光原理示意图。图1电子束抛光原理示意图Fig.1Surfacepolishingofelectronbeamsurfacealloying2电子束抛光的优点电子束抛光在真空中进行，无氧化、无脱碳。抛光后的工件表面呈亮白色，几乎不发生变形，表面质量良好。与常规的抛光技术相比，电子束抛光有以下优点与技术特性：（1）变形量小，电子束抛光时，只针对工件表面处理，而工件整体未能达到高温状态，能量总量较少。（2）可控性强，电子束加工作为非接触式加工的一种，具有很高的智能化，通过计算机连接可以控制熔深，限制被加工材料的温度。（3）清洁无污染，电子束加工是在真空环境中进行，极大降低了空气中的杂质和气体对工件表面质量的影响，加工过程中不会引入其他元素。（4）能量利用率高，电子束能量密度的利用率可达到90%以上，损耗的能量很少。3电子束抛光的研究进展和应用实例随着电子束表面抛光技术的发展，研究人员发现电子束抛光技术在材料表面处理方面有着无可替代的优势，因此国内外的相关机构对其进行了大量而深入的研究。3.1国外研究进展作为三束加工的一种——电子束技术在国外以发展半个世纪之久，当前仍然是研究热门专业，日本，欧美等均展开深入的研究，其研究内容主要有以下几点。3.1.1电子束抛光工艺机理研究UNO等人[8]使用大面积电子束照射的方法，验证了电子束直径60mm的电子束，在照射时间为2-3μs，并以0.2Hz的频率照射下，能密为7.3J/cm²时的光泽度最好；并在相同条件下，照射次数在10次以下时，粗糙度随着照射次数的增加粗糙度降低，而当照射次数大于10时，粗糙度变化并不明显。随着材料表面温度的升高，表面在短时间内被迅速加热、熔化甚至气化，当辐照结束后，材料熔化区在较高温度梯度作用下迅速凝固，形成过饱和的固溶体、纳米晶甚至非晶等亚稳组织[9]。而冲击波的作用则使材料内部的晶体缺陷密度上升，提高材料的表面硬度、耐摩擦性能及耐腐蚀性能[10]。YU[11]用大面积电子束扫描的方法抛光模具表面，他们分别在抛光前后用扫描电镜观察其表面形貌，如图2所示，并采用耐腐蚀性盐水喷雾实验，验证了大面积电子束抛光技术不但能够提高表面光滑度还可以提升工件表面的耐腐蚀性。图2不同电子束照射次数下的扫描电镜图Fi