CN202558940U - 基于大面积电子束的工件表面快速涂覆重熔装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于大面积电子束的工件表面快速涂覆重熔装置，在真空室外设有电子束源和挤压头，挤压头用于放置需要涂覆的合金元素并将合金元素挤压出来涂覆在工件上；在真空室内设有工作台和光阑，工作台用于放置工件并受设于真空室外的工作台控制系统控制而带动工件水平移动；光阑位于电子束源正下方仅让部分电子束选择性通过以照射工件。本实用新型加工效率高，合金涂覆和合金熔覆在同一工艺完成；熔覆质量均匀，易于控制；熔覆层结合力强，避免了类似于涂层的剥落，解决了一般涂覆薄膜材料的结合力不足问题。

Description

基于大面积电子束的工件表面快速涂覆重熔装置

技术领域

本实用新型涉及对金属工件表面加工处理技术的改进，具体指对金属工件的表面利用大面积电子束进行快速涂覆并合金化的装置，主要用于工件表面的强化和镀膜，属于材料表面处理技术领域。

背景技术

材料表面技术是近年来研究比较热门的领域，其中，表面合金化工艺是表面强化技术中最有前途的工艺方法。利用这种工艺可在一些表面性能差、价格便宜的基体金属表面制出耐磨，耐蚀、耐高温的表面合金，用于取代昂贵的整体合金，节约贵重金属材料和战略材料，使廉价合金获得更广泛的应用，从而大幅度降低成本。另外，它还可用来制造出在性能上比传统方法更优的表面涂层，由于材料表面重熔引起晶界原子的迅速扩散，从而让表面的合金与齿轮基体很好的结合，齿轮表面电子束合金化处理获得的金属膜和金属基体为一个整体，避免了类似于涂层的剥落，解决了一般涂覆薄膜材料的结合力不足问题。这种工艺可根据工件表面性能的要求，合理地选择合金元素，从而在普通基材表面获得特殊性能的合金层，这项工艺的优点还表现在它的处理区域的高度局部性和合金粉末选择的灵活性上。同时也可以在基体较轻的结构材料表面制作表面性能较强的膜，既解决了工件设计的轻量化，同时也解决了高性能材料基体太脆韧性不够的问题。

近十几年来，利用脉冲高能密束(电子束、离子束、激光束)进行金属材料表面精整加工和改性得到了迅速发展。当高能量密度的射束作用到材料表面时，大量的能量会在短时间里沉积在材料表面的薄层中，被加热层的温度迅速升高，导致局部熔化、汽化等现象。当输入能量结束时，工件表面会急速冷却。经过这几个过程的综合作用，材料表面层的性质会发生明显地变化。这样就可以使材料表面具有用常规方法难以达到的物理、化学或力学性质。

利用电子束技术，使基体材料表面薄层与根据需要加入的合金元素同时快速熔化、混合，形成厚度为几个um到1个mm的表面熔化层，熔化层由于常温基体的作用快速冷却下来，冷却速度可达10⁶℃／s～10⁸℃／s，相当于急冷淬火技术所能达到的冷却速度，又由于熔化层液体内存在着扩散作用和表面张力效应等物理现象，使材料表面仅在很短时间内就形成了具有要求深度和化学成份的表面合金化层。

使用电子束进行加工，一般都是把电子束经过聚焦变成很细的高密度能束之后，用于精密切割和高功能精密焊接等方面的加工。与此相反，这里将要介绍的电子束照射装置是能对大面积产生较均匀的高能量密度的电子束。

国内外材料表面合金化技术主要包括：

①利用激光进行材料表面合金化。近几年的研究，多集中在以激光作为高密度能源的表面合金化工艺方面。这种以激光为高密度能源的表面合金化技术，存在着以下问题：首先，现有的激光表面合金化研究，多采用单光束斑，由于束斑的能量密度分布不均匀，难以获得表面平整的合金层；另外，由于激光宽带扫描装备尚未成熟，难以得到宽带碱灰表面合金层，而且，激光器的能量转换效率低，因此，激光表面合金化技术离实用化阶段还很遥远。

②利用电子束进行表面合金化。在材料表面预涂覆合金元素，利用电子束能量瞬间沉积在材料次表层很小的区域内，从而使材料极快速地升温到相变温度或熔化温度以上，实现合金化的过程。传统的电子束材料表面合金化需要在别的设备上预先涂覆合金层，而且其采用的圆形截面电子束加工，束斑重叠区域能量分布不均匀，材料表面应力集中，加工效率相对较低。

因此，激光由于束斑的能量密度分布不均匀，能量转换效率低，传统的电子束材料表面合金化需要在别的设备上预先涂覆合金层，加工效率低。所以需要设计一种适合金属零件的表面快速涂覆重熔方法及装置。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是提供一种生产效率高、且表面应力分布均匀的基于大面积电子束的工件表面快速涂覆重熔装置。

本实用新型解决技术问题的技术手段是这样实现的：

基于大面积电子束的工件表面快速涂覆重熔装置，它包括真空室，在真空室外设有电子束源和挤压头，电子束源产生的电子束可进入真空室内，挤压头用于放置需要涂覆的合金元素并将合金元素挤压出来涂覆在工件上，挤压头的出口竖直向下位于真空室内；在真空室内设有工作台和光阑，工作台用于放置工件并受设于真空室外的工作台控制系统控制而带动工件水平移动；光阑位于电子束源正下方仅让部分电子束选择性通过以照射工件。

所述真空室外设有真空系统，真空系统用于对真空室抽真空以达到需要的真空度。

所述真空室壁上设有观察真空室内状况的观察视窗。

相比现有技术，本实用新型具有如下优点：

1、本实用新型可根据工件表面性能的要求，合理地选择合金元素和合金粉末，合金可以是一种、也可以是多种、也可以是合金和润滑剂混合成自润滑合金膜。

2、加工效率高。边涂覆边熔覆，合金涂覆和合金熔覆在同一装置中完成。

3、熔覆质量均匀，易于控制，电子束照射装置是采用的大面积高能量密度的电子束。

4、熔覆层结合力强。材料表面重熔引起晶界原子的迅速扩散，从而让表面的合金与金属基体很好的结合，基体表面电子束合金化处理获得的金属膜和金属基体为一个整体，避免了类似于涂层的剥落，解决了一般涂覆薄膜材料的结合力不足问题。

附图说明

图1—本实用新型结构示意图。

其中，1-电子束源；2-挤压头；3-真空室；4-光阑；5-工件；6-工作台控制系统；7-工作台；8-真空系统；9-电子束；10-观察视窗。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型基于大面积电子束的工件表面快速涂覆重熔装置，它包括真空室3，在真空室3外上方设有电子束源1和挤压头2，电子束源1产生的电子束9可进入真空室3内，挤压头2用于放置需要涂覆的合金元素并将合金元素挤压出来涂覆在工件上，挤压头2的出口竖直向下位于真空室3内。在真空室3内设有工作台7和光阑4，工作台7用于放置工件并受设于真空室外的工作台控制系统6控制而带动工件5水平移动。光阑4位于电子束源1正下方仅让部分电子束选择性通过以照射工件，光阑4为钼光阑。图中，9是电子束，5是工件。

所述真空室3外设有真空系统8，真空系统用于对真空室抽真空以达到需要的真空度。

所述真空室3壁上设有观察真空室内状况的观察视窗10。

其中电子束源为大面积电子束源，可以采用俄罗斯的“Nadezhda-2”型强流脉冲电子束（HCPEB）装置等同类现有设备，其固定在真空室顶上；钼光阑固定在真空室内壁上。

本装置使用方法和操作步骤如下：

1、首先，将合适尺寸的所需成份的合金粉末利用混合剂制成牙膏装的制剂，封装到挤压头2中，可以根据需要在里面混入固体润滑剂颗粒。

2、将工件5放在工作台7上，使其在电子束源1和挤压头2的下方；使用真空系统8将真空室3中的真空抽到符合加工要求的真空度；

3、根据工件5的零件特征和加工要求，控制挤压头2挤出混料进行工件表面涂覆，完成以后工作台控制系统6控制工作台7向前移动，同时挤压头2挤出新的混料依次进行工件5其余表面的涂覆。

4、当初始涂覆部分移动到电子束源1正下方的时候，电子束源1即发出具有大面积特性的电子束9，经过光阑4以后照射到涂覆层上面，进行熔覆。由于工作台一直在移动，涂覆过程一直在进行，熔覆过程也一直在进行，即边涂覆边熔覆，直到结束为止。

5、工件表面在电子束能量照射下局部熔化，经过以上步骤挤压头涂覆和电子束熔覆后，涂覆层和金属基体结合紧密，由于金属表面迅速冷却，从而获得粗糙度低、表面应力均匀、耐磨和耐腐蚀性能优良的表面质量，同时由于里面加有固体颗粒润滑剂，具有一定的自润滑性能。

采用本实用新型具有精度高、操作自动化程度高、加工周期短等优点。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.基于大面积电子束的工件表面快速涂覆重熔装置，其特征在于：它包括真空室（3），在真空室（3）外设有电子束源（1）和挤压头（2），电子束源（1）产生的电子束可进入真空室（3）内，挤压头（2）用于放置需要涂覆的合金元素并将合金元素挤压出来涂覆在工件上，挤压头（2）的出口竖直向下位于真空室（3）内；在真空室（3）内设有工作台（7）和光阑（4），工作台用于放置工件并受设于真空室外的工作台控制系统控制而带动工件水平移动；光阑（4）位于电子束源（1）正下方仅让部分电子束选择性通过以照射工件。

2.根据权利要求1所述的基于大面积电子束的工件表面快速涂覆重熔装置，其特征在于：所述真空室（3）外设有真空系统（8），真空系统用于对真空室抽真空以达到需要的真空度。

3.根据权利要求1或2所述的基于大面积电子束的工件表面快速涂覆重熔装置，其特征在于：所述真空室（3）壁上设有观察真空室内状况的观察视窗（10）。

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