Розділ 2
Устаткування, матеріали та спосіб отримання вакуумних конденсатів, методи
дослідження структури та властивостей
2.1. Фізичні властивості електронного променя. Установка для його
використання з метою організації процесу високошвидкісного
випаровування та конденсації
Поява в середині ХХ сторіччя електронно-променевої (1956 р.), плазмово- дугової
(1958 р.) і лазерної (1964 р.) технологій поставила перед розробниками нових
технологій обробки і зварювання металів питання, чому традиційне джерело
енергії для цих цілей - зварювальна дуга, що вільно горить, здійснює плавлення
металів «поверхово» (відношення глибини розплавленої зони до її ширини менше
1), а перераховані вище джерела «кинджально» (відношення глибини розплавленої
зони до її ширини менше чи дорівнює 100). Так з'явилися поняття концентрованих
потоків енергії (КПЕ).
Виявилося, що якщо джерело енергії розвиває питому потужність більшу чи рівну
109…1010 Вт/м2 (електронний промінь, лазер, плазма), то процес нагрівання
речовини стає самоорганізуючим (синергетичним), тобто при наявності деякого
порога питомої потужності, відповідно різко змінюються закономірності переносу
тепла в напрямку об'єкта. Подолання цього порога відкрило перед технологами
істотно нові можливості [95]:
- підвищення продуктивності процесів зварювання й обробки в сотні разів;
- підвищення якості й надійності оброблюваних виробів;
- одержання нових ефектів у зварюванні, плавці, випаровуванні і т.д.
Електронно-променевий вплив на метали, що приводить до їхнього нагрівання,
плавлення й випаровування як новий технологічний напрямок в області обробки
матеріалів, інтенсивно розвивається із середини двадцятого сторіччя.
Сутність його полягає в тому, що електрон після проходження через електричне
поле з різницею потенціалів U прискорюється й здобуває кінетичну енергію:
Ек = 1/2movo2 = eU,
де mo, vo, e — відповідно маса, швидкість і заряд електрона. Спочатку електрон,
який знаходився в стані покою, пройшовши через поле з різницею потенціалів 1 В,
буде мати швидкість 595 км/с. При зіткненні електрона, що летить, з поверхнею
матеріалу його кінетична енергія витрачається на збудження рентгенівського
випромінювання, утворення вторинних електронів і нагрівання. Втрата енергії на
рентгенівське випромінювання складає близько 0,1 % від загальної потужності
електронного потоку (пучка).
Вторинні електрони утворюються при бомбардуванні поверхні первинними
електронами внаслідок іонізації атомів матеріалу, а також пружного й непружного
відбиття первинних електронів. Енергія вторинних електронів унаслідок іонізації
металевих матеріалів, що опромінюються, при прискорюючих напругах 10...25 кВ
складає декілька електронвольт, тому енергетичні втрати, зв'язані з цими
електронами, незначні. Втрати, обумовлені відбитими електронами, більш істотні.
Експериментальні дані показують, що середня відносна енергія відбитих
електронів Еот пропорційна атомному номеру металу, який нагрівається, Z. Для
електронів з енергією 0,2 — 0,32 кеВ запропонована залежність [96]:
Еот = 0,45 + 2 10-3 Z.
Для металів із середнім атомним номером, наприклад, Fе, Со, Ni (Z = 26; 27;
28), відносна енергія відбитих електронів дорівнює близько 0,5, а коефіцієнт
відбиття – приблизно 0,3, тому втрата енергії при нагріванні зазначених металів
чи сплавів на їхній основі складає приблизно 15 %. Зі збільшенням атомного
номеру метала, що нагрівається, втрата енергії трохи зростає. Наприклад, для
ніобію (Z = 41) 30 % енергії первинного пучка розсіюється вторинними
електронами. Енергія відбитих електронів витрачається на нагрівання стінок
вакуумної камери, поверхні, на якій здійснюється конденсація, деталей і
механізмів і т.д.
Основна частка кінетичної енергії електронів перетворюється в теплову в тонкому
поверхневому шарі. При напрузі, що прискорює, 15…20 кВ глибина проникнення
електронів у металеві матеріали складає 1…2 мкм [97]. Електрон втрачає свою
енергію нерівномірно, проникаючи на зазначену глибину. Основне гальмування
електронів здійснюється наприкінці пробігу, тобто температура досягає максимуму
на деякій відстані від поверхні, що нагрівається. Таким чином, при нагріванні
електронним променем джерело тепла знаходиться в тілі, у тонкому поверхневому
шарі матеріалу. Зазначена особливість у сполученні з розглянутою вище повнотою
перетворення кінетичної енергії електронів у теплову характеризує електронний
промінь як дуже ефективне джерело нагрівання.
Матеріали, що досліджуються в даній роботі, одержували в НВП “ГЕКОНТ” м.
Вінниця на установці УЕ-189 конструкції інституту електрозварювання ім. Є.О.
Патона НАНУ [98-100]. Загальний вигляд електронно-променевої установки
показаний на рис. 2.1.
Установка являє собою дві зібрані разом вакуумні камери: робочу камеру 1 і
камеру гармат 2 з механізмами, пристроями і системами, що забезпечують
проведення технологічного процесу одержання композиційних матеріалів (рис.
2.2). Зверху робочої камери на знімній кришці встановлений механізм обертання
підкладки 15. Підкладка 14 кріпиться до штока 7 механізму обертання за
допомогою захоплювачів. Швидкість обертання підкладки регулюється від 1 до 40
об/хв. Завантаження підкладки в камеру здійснюються через передній люк камери
за допомогою завантажувального візка. За
допомогою подовжувачів штока обертання 7 підкладка може встановлюватися в
робочій камері на висоті 450...600 мм від поверхні розплавленого матеріалу в
тиглях. Для можливого здійснення спрямованого осадження парового потоку металу
шляхом іонізації парового потоку підкладка 14 на штоку 7 ізольована від корпуса
робо
- Київ+380960830922