[科普中国]-电子束重熔

简介

电子束重熔冶炼的关键技术是电子枪，电子枪中灯丝被加热后，表面产生大量热电子，热电子在高压电场作用下加速、偏转、聚焦，向阳极方向高速运动，并获得很高的动能。

电子在同金属（阳极）碰撞时，动能变成熔化炉料的热能。熔化后的金属液滴经真空精炼后，滴入水冷铜坩埚中逐步凝固成锭，再经引锭系统从底部拉出1。

纯铜的电子束重熔纯铜的电子束重熔：将经纯铜棒安装在水平或垂直进料机构上，设备准备完毕后开始抽真空，电子枪中的电子束经偏转聚焦后，轰击在所熔金属棒料上，进行滴熔，精炼后的融滴落入水冷结晶器中冷却顺序凝固，经引锭系统拖出2。

电子束重熔处理对硅化物涂层的影响铌是一种难熔金属，由于它在高温下有较好的机械性能而被广泛应用于航空航天等领域，但是铌合金的氧化行为使它的应用受到限制。涂层是保护基体并提高性能的有效手段，硅化物涂层作为铌合金的高温保护涂层，在高温氧化时，涂层表面形成玻璃态氧化物膜，延长涂层的高温使用寿命，且硅化物可以封闭涂层中的裂纹。这一现象受到学者们的广泛关注，并开始进一步提高硅化物涂层的抗氧化性能。

涂层的电子束重熔可以进一步改善涂层组织及提高性能。Weisenburger 对镍基合金表面CoNiCrAlY 涂层进行了电子束重熔研究，处理后超音速火焰喷涂涂层和真空等离子喷涂涂层的表面粗糙度分别由62μm和47μm下降至3.7μm和8.0μm，近表层30μm到40μm厚度范围内气孔被彻底消除，高温氧化实验涂层氧化膜增长速率降低。Hamatani 对CoCrW合金表面应用高速火焰热喷涂法制备的NiCrFeSi 涂层进行电子束重熔研究，指出涂层气孔数量、表面粗糙度和涂层/基体界面粘结强度是优化电子束改性工艺参数的标准。Utu 研究了电子束重熔对高速火焰热喷涂方法制备的CoNiCrAlY 涂层耐腐蚀性能的影响，电子束重熔技术可以显著降低涂层气孔和氧化物含量。研究发现涂层组织结构的均匀性对电子束工艺参数中电流强度最为敏感，电流强度增加，改性层厚度增加，涂层组织均匀性提高。工件移动速度降低，则涂层熔化和气体溢出时间增加，涂层气孔和氧化物含量降低，电子束重熔处理涂层耐腐蚀性能有较大程度的提高。

电子束重熔处理后，硅化物涂层表面陶瓷晶粒粒度降低，表面粗糙度降低，涂层致密度增强，表面层孔隙率降低。电子束重熔对硅化物涂层的二次烧结作用，涂层表面陶瓷颗粒烧结作用增强，增强了涂层/基体之间的元素渗透，提高了涂层/基体的粘结强度。

硅化物重熔处理后，高温抗氧化性能和抗热震性能提高，涂层/基体获得了更好的冶金结合，使涂层/基体变形协调性增强，涂层/基体的界面裂纹产生的倾向降低，涂层组织更加致密，对裂纹扩展的阻碍作用进一步增强3。

电子束重熔对硅化物涂层的影响ZL109 铸铝合金是制造发动机活塞及高温下工作零件的重要材料。发动机活塞工作时需承受高温及较高压力，同时还要承受在气缸中的往复运动受到的摩擦阻力，由于其特殊的工作环境条件对其耐蚀性、耐磨性有着较高的要求。为了进一步提高ZL109 铝合金活塞寿命，仍需探索优化其组织及性能的方法和手段。利用脉冲高能束进行金属材料表面加工和改性技术得到迅速发展。电子束重熔技术是高能束表面改性技术的一种，据文献表明，电子束重熔处理可以使金属表面组织细化并改善耐磨性、硬度等性能。

1.电子束重熔处理ZL109 铝合金表面后，快速熔化和冷凝使粗大的初生硅和共晶硅相得到细化，组织分布更加弥散致密。

2.电子束重熔处理ZL109 铝合金后，提高了Si 在铝基体中的固溶度，对基体起到强烈的固溶强化作用，同时粗大初生硅和共晶硅的晶粒细化也是改性层硬度提高的原因之一。

3.电子束重熔处理后的ZL109 铝合金改性层没有新相生成，改性层中Si 元素更加充分均匀的溶于Al 基体中，形成致密均匀的固溶体，细晶强化的结果使耐磨性也提高了。

4.电子束重熔处理后的ZL109 铝合金改性层组织致密，快速的冷凝使提高了Si 元素的固溶度，固溶度的增加有利于提高材料整体的极化电阻，进而增加了电极电位，使得合金的耐蚀性得到显著改善2。