一种用于电子束微熔抛光的扫描方法与流程

本发明涉及金属表面改性技术，具体是一种用于电子束微熔抛光的扫描方法。

背景技术：

国内外研究者采用电子束进行表面改性的方法主要有三种：一是集中聚焦下束移动工件的焊接式熔凝、合金化与相变硬化的研究，该方法以电子束束流集中聚焦下束为主，束流聚焦为斑点，移动工件进行加热，热源加热面积小、能量密度相对较大、熔池的深宽比较大、形成窄而深的熔池，强化的不止是表面，对金属组织表面和深层都有很大的影响；第二种方式是采用脉冲电子束对金属材料重熔进行表面处理，或将合金粉末涂覆在合金表面进行合金化，该方法的不足是：能量密度大，在表面熔化层容易产生“火山坑”，由于能量密度高，产生的热量集中，冷却时速度较快，造成内应力和组织应力较大，容易在组织中出现相结构裂纹，影响表面强化层的性能与质量；第三种方法是采用大面积电子束辐照的方法对材料表面进行抛光和表面强化处理，该方法通过调整参量密度可实现直径 60mm 范围内电子束照射，此种方法采用的是散焦束的方式实现大面积的照射，要求电子枪功率大，因此很难实现均匀下束。这些方法在不同程度上会出现：在束流散焦面中心电子束流大，边缘小，能量密度分布不均匀；熔池强化的不仅是表面，对金属组织表面和深层也有影响较大；组织中出现相结构裂纹；不便实现不同区域、不同能量密度均匀性要求的控制。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种能量密度分布均匀、质量稳定、精确可控、效率较高的用于电子束微熔抛光的扫描方法。

为达到上述目的，本发明的采用如下技术方案：

一种用于电子束微熔抛光的扫描方法，包括以下步骤：

步骤一、根据待加工工件实际的加工要求确定所需电子束束斑尺寸；

步骤二、通过外接设备可编程数字信号发生器产生的波形信号控制真空电子束加工设备上的偏转电源的输出电流，形成两路模拟电压信号，并以指定刷新频率输出给由X、Y两对绕组组成的附加偏转线圈，在所述附加偏转线圈中产生的磁场使电子束周期性地在X-Y平面内按圆形轨迹运动，其中所述圆形轨迹所形成的半径与所述所需电子束束斑半径相等；

步骤三、将所述待加工工件放入所述真空电子束加工设备的真空室的工作台上，对所述真空室进行抽真空处理；根据所述待加工工件的特征及加工要求，设定电子束扫描位置、电子束扫描方式以及电子束扫描工艺参数；

步骤四、通过所述真空电子束加工设备驱动所述工作台做X或Y方向上的直线进给运动，同时进行电子束扫描来实现所述待加工工件的面域扫描，从而实现对所述待加工工件的电子束微熔抛光的扫描。

进一步地，步骤三中所述真空室抽真空处理后真空度为10^-3pa~10^-1pa。

进一步地，步骤三中所述电子束扫描方式为连续扫描。

进一步地，步骤三中所述待加工工件放入所述真空室前先进行表面预处理，所述表面预处理的步骤是先去除所述待加工工件的外层氧化层，再进行机械抛光，然后使用无水乙醇进行表面清洗，最后风干。

进一步地，步骤三中所述电子束扫描工艺参数为：电子束加速电压50~70kV、电子束束流5~8mA、工作台移动速度1~5mm/min。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：真空电子束加工设备上设置有特定的电子束扫描装置，该电子束扫描装置由可外接的可编程数字信号发生器产生的波形信号控制偏转电源的输出电流，从而改变流过X、Y方向附加偏转线圈电流的大小和方向，在附加偏转线圈内孔与电子加速方向垂直的平面内产生大小、方向呈一定规律变化的磁场，高速运行的电子在此磁场作用下，呈现出圆形的扫描轨迹。通过进一步控制工作台的移动，即可实现电子束微熔抛光效果。采用本发明公开的电子束扫描对金属材料进行表面浅熔抛光的处理方法，既可以克服常用方法的深宽比过大、能量密度分布不均匀等不足，又可满足常用金属材料表面的组织结构、机械性能、表面粗糙度等的提高和改善要求；有利于控制能量密度的均匀分布，提高表面质量、防止表面缺陷的产生。对金属材料表面浅熔抛光复合强化机理的研究可为扫描电子束表面改性的实际生产与应用提供理论依据，指导实际生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，以下将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为实施例1的工艺流程图；

图2为真空电子束加工设备组成示意图；

图3为电子束微熔抛光扫描后形成的圆形区域的图像；

图4为采用本发明进行扫描后基体的表面形貌图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参照图1所示，本实施例给出了一种用于电子束微熔抛光的扫描方法。

步骤一、选择边长为40mm的正方体45#钢试样作为基体，根据基体实际的加工要求确定电子束束斑半径为2mm。

步骤二、通过外接设备可编程数字信号发生器产生的波形信号控制真空电子束加工设备上的偏转电源6的输出电流，形成两路模拟电压信号，并以指定刷新频率输出给由X、Y两对绕组组成的附加偏转线圈16，在附加偏转线圈16中产生的磁场使电子束周期性地在X-Y平面内按圆形轨迹运动。如图2所示，基于本实施例提供的用于电子束微熔抛光的扫描方法的真空电子束加工设备主要包括工控机1、数据采集卡2、功率放大器3、匹配电阻4、聚焦电源5、偏转电源6、真空机组7、真空室8、工作台9、灯丝电源10、偏压电源11、高压电源12、灯丝13、阴极14、聚束极15、附加偏转线圈16、电子枪17、阳极18和聚焦透镜19。附加偏转线圈16安装在扫描电子束的前进路径上，该附加偏转线圈16由控制电子束在X、Y方向运动的两组绕组组成。将编辑好的电子束扫描轨迹及运动方式的控制程序在工控机1中运行，数据采集卡2安装在工控机1中，用方程X²+Y²=4来描述圆形的电子束扫描轨迹，则其中X、Y方向的分量分别为：

X=2cost Y=2sint 0≤t≤2π，

用X_i和Y_i分别表示X和Y方向的分量，则将每一个坐标分量X_i和Y_i同乘以k后构成二位数组，k值用来调节两路输出模拟量的幅值，将二维数组的X、Y分量分别通过数据采集卡2的模拟量输出通道同时输出，形成两路模拟电压信号，以指定刷新频率输出给功率放大器3，经过功率放大器3放大后，在经过匹配电阻4分别输入给附加偏转线圈16的X、Y绕组，其中X分量、Y分量分别输入一个绕组，在附加偏转线圈16的X、Y绕组中产生的磁场使电子束产生X、Y平面内偏转，使电子束在X-Y平面内沿设定轨迹进行周期运动；调节k值，使功率放大器3输入为满刻度，调节功率放大器3的输出调节旋钮，使电子束扫描轨迹呈半径为2mm的圆形。

步骤三、基体放入真空室8前先进行表面预处理，表面预处理的步骤是先去除待加工工件的外层氧化层，再进行机械抛光，机械抛光后集体表面粗糙度为1.470μm，然后使用无水乙醇进行表面清洗，最后风干；将基体放入真空电子束加工设备的真空室8的工作台9上，对真空室8进行抽真空处理，真空室8抽真空处理后真空度为10^-2pa；设定电子束扫描位置、电子束扫描方式以及电子束扫描工艺参数，其中电子束扫描位置为基体表面左侧中间位置，电子束扫描方式为连续扫描，工作台9移动方向向左，电子束加速电压60kV、电子束束流5mA、工作台9移动速度3mm/min。

步骤四、通过真空电子束加工设备驱动所述工作台9做X方向上的直线进给运动，同时进行电子束扫描来实现待加工工件的面域扫描，从而实现对待加工工件的电子束微熔抛光的扫描。

图3给出了电子束微熔抛光扫描后形成的圆形区域的图像，图4给出了采用本发明提供的用于电子束微熔抛光的扫描方法进行扫描后基体的表面形貌图，其中a为扫描过的表面形貌，b为未扫描过的表面形貌。从图3和图4中可以看出，经过本发明提供的用于电子束微熔抛光的扫描方法进行扫描后，基体扫描过后的区域表面更为平整光滑。经测试分析证明，经过扫描后的区域，粗糙度由原始试样的1.470μm降低至0.624μm，表层硬度升至780~800HV0.2，是基体硬度的2.6~2.8倍，表面耐磨性是基体金属的3倍。

实施例2

本实施例给出了一种用于电子束微熔抛光的扫描方法。

步骤一、选择边长为40mm的正方体45#钢试样作为基体，根据基体实际的加工要求确定电子束束斑半径为2mm。

步骤二、通过外接设备可编程数字信号发生器产生的波形信号控制真空电子束加工设备上的偏转电源6的输出电流，形成两路模拟电压信号，并以指定刷新频率输出给由X、Y两对绕组组成的附加偏转线圈16，在附加偏转线圈16中产生的磁场使电子束周期性地在X-Y平面内按圆形轨迹运动。附加偏转线圈16安装在扫描电子束的前进路径上，该附加偏转线圈16由控制电子束在X、Y方向运动的两组绕组组成。将编辑好的电子束扫描轨迹及运动方式的控制程序在工控机1中运行，数据采集卡2安装在工控机1中，用方程X²+Y²=4来描述圆形的电子束扫描轨迹，则其中X、Y方向的分量分别为：

X=2cost Y=2sint 0≤t≤2π，

用X_i和Y_i分别表示X和Y方向的分量，则将每一个坐标分量X_i和Y_i同乘以k后构成二位数组，k值用来调节两路输出模拟量的幅值，将二维数组的X、Y分量分别通过数据采集卡2的模拟量输出通道同时输出，形成两路模拟电压信号，以指定刷新频率输出给功率放大器3，经过功率放大器3放大后，在经过匹配电阻4分别输入给附加偏转线圈16的X、Y绕组，其中X分量、Y分量分别输入一个绕组，在附加偏转线圈16的X、Y绕组中产生的磁场使电子束产生X、Y平面内偏转，使电子束在X-Y平面内沿设定轨迹进行周期运动；调节k值，使功率放大器3输入为满刻度，调节功率放大器3的输出调节旋钮，使电子束扫描轨迹呈半径为2mm的圆形。

步骤三、基体放入真空室8前先进行表面预处理，表面预处理的步骤是先去除待加工工件的外层氧化层，再进行机械抛光，机械抛光后集体表面粗糙度为1.4μm，然后使用无水乙醇进行表面清洗，最后风干；将基体放入真空电子束加工设备的真空室8的工作台9上，对真空室8进行抽真空处理，真空室8抽真空处理后真空度为10^-1pa；设定电子束扫描位置、电子束扫描方式以及电子束扫描工艺参数，其中电子束扫描位置为基体表面左侧中间位置，电子束扫描方式为连续扫描，工作台9移动方向向左，电子束加速电压70kV、电子束束流8mA、工作台9移动速度5mm/min。

步骤四、通过真空电子束加工设备驱动所述工作台9做X方向上的直线进给运动，同时进行电子束扫描来实现待加工工件的面域扫描，从而实现对待加工工件的电子束微熔抛光的扫描。

扫描后对基体进行测试，经测试分析证明，经过扫描后的区域，扫描后的基体的粗糙度较原始试样的粗糙度降低，表层硬度升高，表面耐磨性也升高，基体性能得到很好的提升。

实施例3

本实施例给出了一种用于电子束微熔抛光的扫描方法。

步骤一、选择边长为40mm的正方体45#钢试样作为基体，根据基体实际的加工要求确定电子束束斑半径为2mm。

步骤二、通过外接设备可编程数字信号发生器产生的波形信号控制真空电子束加工设备上的偏转电源6的输出电流，形成两路模拟电压信号，并以指定刷新频率输出给由X、Y两对绕组组成的附加偏转线圈16，在附加偏转线圈16中产生的磁场使电子束周期性地在X-Y平面内按圆形轨迹运动。附加偏转线圈16安装在扫描电子束的前进路径上，该附加偏转线圈16由控制电子束在X、Y方向运动的两组绕组组成。将编辑好的电子束扫描轨迹及运动方式的控制程序在工控机1中运行，数据采集卡2安装在工控机1中，用方程X²+Y²=4来描述圆形的电子束扫描轨迹，则其中X、Y方向的分量分别为：

X=2cost Y=2sint 0≤t≤2π，

用X_i和Y_i分别表示X和Y方向的分量，则将每一个坐标分量X_i和Y_i同乘以k后构成二位数组，k值用来调节两路输出模拟量的幅值，将二维数组的X、Y分量分别通过数据采集卡2的模拟量输出通道同时输出，形成两路模拟电压信号，以指定刷新频率输出给功率放大器3，经过功率放大器3放大后，在经过匹配电阻4分别输入给附加偏转线圈16的X、Y绕组，其中X分量、Y分量分别输入一个绕组，在附加偏转线圈16的X、Y绕组中产生的磁场使电子束产生X、Y平面内偏转，使电子束在X-Y平面内沿设定轨迹进行周期运动；调节k值，使功率放大器3输入为满刻度，调节功率放大器3的输出调节旋钮，使电子束扫描轨迹呈半径为2mm的圆形。

步骤三、基体放入真空室8前先进行表面预处理，表面预处理的步骤是先去除待加工工件的外层氧化层，再进行机械抛光，机械抛光后集体表面粗糙度为1.8μm，然后使用无水乙醇进行表面清洗，最后风干；将基体放入真空电子束加工设备的真空室8的工作台9上，对真空室8进行抽真空处理，真空室8抽真空处理后真空度为10^-3pa；设定电子束扫描位置、电子束扫描方式以及电子束扫描工艺参数，其中电子束扫描位置为基体表面左侧中间位置，电子束扫描方式为连续扫描，工作台9移动方向向左，电子束加速电压50kV、电子束束流5mA、工作台9移动速度1mm/min。

步骤四、通过真空电子束加工设备驱动所述工作台9做X方向上的直线进给运动，同时进行电子束扫描来实现待加工工件的面域扫描，从而实现对待加工工件的电子束微熔抛光的扫描。

扫描后对基体进行测试，经测试分析证明，经过扫描后的区域，扫描后的基体的粗糙度较原始试样的粗糙度降低，表层硬度升高，表面耐磨性也升高，基体性能得到很好的提升。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。