JP5860091B2 - 電子ビームの調整 - Google Patents

Description

記載される実施形態は、一般的に指向性エネルギーのビームを用いる熱処理に関連する。さらに具体的には、電子ビームは金属加工物の所望の金属状態に応じて調整される。

様々な種類の機械加工作業は、機械加工作業中に産生される熱の結果として、金属加工物の中に存在する不純物に、金属加工物の表面に沿って金属間加工物を形成させる。金属加工物の表面に沿って配置される金属間化合物は、機械的研磨作業を所望の表面仕上げに達成することを妨げる。金属加工物の表面に沿って形成された金属間化合物の存在はまた、陽極酸化が加工物に適用された時に可視できる縞模様（ストリーキングマーク）を生じる。

そのため所望されるのは、金属加工物の表面領域から金属間化合物を除去するための信頼できる方法である。

本明細書は、電子ビームを調整するための方法及びシステムに関する様々な実施形態を示す。

金属加工物の表面部分を処理する電子ビームのためのシステムが開示される。システムは、あらかじめ選択された金属相中で処理された金属を保持するように構成されている。システムは、少なくとも以下の要素：（１）第１のエネルギー分布を有する電子ビームを射出するように構成される電子ビーム射出装置、及び（２）電子ビーム射出装置と金属加工物との間に配置され、あらかじめ選択された金属相に応じて第１のエネルギー分布を第２のエネルギー分布に変更する電子ビーム射出装置により射出される電子ビームに作用すするメカニズム、を含む。

電子ビームを調整するための方法が開示される。記載される方法は、電子ビームの熱処理作業の間、あらかじめ選択された金属相中に金属加工物を保持する。方法は、少なくとも以下の工程：（１）第１のエネルギー分布を有する電子ビームを射出する工程、及び（２）第１のエネルギー分布を第２のエネルギー分布へと変更する工程、を含む。第２のエネルギー分布は、あらかじめ選択された金属相に対応するある範囲の電子ビームエネルギーを有する。

アルミニウム基板の表面部分を均一化するための電子ビーム処理装置が開示される。電子ビーム処理装置は、少なくとも以下の、（１）アルミニウム基板の表面部分を第１の相から第２の相へと変化させるエネルギー密度を有する中心部分を含む電子ビームを射出するように構成される電子ビーム射出装置、及び（２）電子ビーム射出装置とアルミニウム基板との間に配置される電子ビームを調整する要素、を含む。電子ビーム調整要素は、電子ビーム処理作業の間、電子ビームの中心部分のみがアルミニウム基板に接することができるようにする開口部を定義する金属基板、及び金属基板との熱的に接触している能動冷却装置を含む。能動冷却装置は金属基板から熱を除去するように構成される。

本発明の他の態様及び利点は、例示として記載される実施形態の原理を示す添付図面と併せて以下の詳細な説明により明確となるであろう。

記載される実施形態は、以下の記載及び添付の図面を参照することにより、さらに理解することができる。また、記載される実施形態の利点は、以下の記載及び添付の図面を参照することによりさらに理解することができる。
加工物に照射するように構成された例示的な電子ビーム射出装置を示す。 直線経路に沿って移動する電子ビームのフットプリントを示す。 電子ビームのエネルギー分布を示す。 所定の温度範囲内においてあらかじめ選択された金属相を有する金属のための相図。 電子ビーム中の電子のエネルギー分布を示す。 低いエネルギーを有する電子ビームの周囲部分が、加工物に衝突することを防ぐように構成されるマスクを示す。 図３Ａに示されるマスクが、どのように電子ビームが加工物を通って通過するときに電子ビームの周囲部分の低いエネルギー部分を遮断するかを、上面から示す。 例示的な摩擦撹拌接合作業の透視図を示す。 図４Ａの例示的な摩擦撹拌接合作業の側断面図を示す。 摩擦撹拌接合作業を行う例示的な携帯型コンピュータ装置のハウジングを示す。 摩擦撹拌接合作業を行う例示的な携帯型コンピュータ装置のハウジングを示す。 摩擦撹拌接合作業を行う例示的な携帯型コンピュータ装置のハウジングを示す。 摩擦撹拌接合されたアルミニウム基板に電子ビーム放射を適用するように構成される特定の仕上げ方法を示すブロック図を示す。 電子ビーム放射作業前のアルミニウム基板の上面を示す。 電子ビーム放射作業後の図７Ａに示されたアルミニウム基板の上面を示す。 電子ビーム放射作業の後のアルミニウム基板の、電界放出型走査電子顕微鏡により提供される側断面図を示す。 図８Ａのアルミニウム基板の電子後方散乱回析の側断面図であり、電子ビーム放射作業の後のアルミニウム基板の粒状組織を示す。

本出願による方法及び装置の代表的な適用が、本節において記載される。これらの実施例は、記載される実施形態の理解において文脈を追加する及び補助するためだけに提供される。したがって、当業者においては、記載される実施形態はこれらの具体的な詳細の一部または全てが無くとも実施されえることが明らかである。他の例においては、周知のプロセス工程は、記載された実施形態を不必要に不明瞭にすることを避けるために、詳細に記載されていない。以下の実施例に限定するものとして解釈されるべきではないように、他の応用が可能である。

以下の詳細な説明においては、参照は説明の一部を形成する添付の図面に対して作成され、且つ例示の方法により記載される実施形態に従った特定の実施形態が示される。しかしこれらの実施形態は、当業者が記載される実施形態を実施可能であるように充分詳細に記載されているが、これらの実施形態は、他の実施形態が用いられてもよく、また記載される実施形態の本質及び範囲から逸脱することなく変更が行われてもよいように、限定的ではないことが理解される。

金属加工物の表面を熱的に調整するための方法及び関連する装置が記載される。明細書に記載される実施形態は、下地の金属があらかじめ選択された金属相の中に残るような方法で、金属加工物を熱的に調整するための方法に関連する。言い換えれば、電子ビーム処理に適する技術及び装置が記載される。この議論の文脈においては、電子ビーム（またはｅビームと呼ばれる）処理は、金属加工物の選択された相に対応するある範囲のエネルギーを有する電子が金属加工物の熱的な調整に充分な出力密度を伴うビームに集中されることができる、プロセスとして記載される。このように、記載される電子ビーム処理は金属表面の露光を所望の金属相に対応するエネルギー範囲を有するそれらの電子のみに制限する。例えば、あらかじめ決定されたエネルギーレベルを下回る運動エネルギーを有するそれらの電子が金属表面に衝突することを防ぐことは、あらかじめ決定された金属相に対応する相転移温度を上回る金属表面の温度が存続する結果となる。１つの実施形態において、機械的な装置が、これらの電子を、あらかじめ決定されたエネルギーレベルを下回るエネルギーを有する電子ビームから吸収するために使用されることができる。機械的な装置は、例えば、電子入射に対し不透過である（すなわち、吸収する）材料で形成された電子ビーム不透過部分を有するマスクの形状をとることができる。このようにマスクは、電子ビームに対して適切に配置されるときに、あらかじめ決定された閾値を超える運動エネルギーを有するそれらの電子のみを金属表面に衝突することができる、電子ビーム透過部分を有することができる。このように、金属表面は所望の金属相に対応する相転移温度を超える温度まで過熱される。いくつかの場合において、第２の閾値を越える運動エネルギーを有する電子はまた、第２の閾値が所望しない若しくは最適に至らない金属状態に対応するときに、金属表面に衝突することを防止されることができる。

電子ビームは一般的に、電子を加速するために用いられる加速電圧に対応するピークビーム電流を有するエネルギー分布を含む。これらの低いエネルギー電子は、ｅビーム処理が金属に処理されたときに、問題となりえる。特に、金属表面の電子入射の運動エネルギーは、実質的に金属間化合物の表面部分を除去する効果を有する融解温度を超えて金属表面を加熱することができる。残念ながら、（電子ビームの周囲部分における電子のような）低いエネルギー電子へさらされた金属の部分は、電子が衝突した金属表面のそれらの部位が融解するための十分な運動エネルギーを有しない。このような方法による表面の加熱は実際に、意図される金属間化合物の表面の除去とは対立するように金属間化合物を形成または成長させることを発生させる。この問題の１つの解決策は、電子ビームの周囲部分をマスクすることであり、これにより、電子ビームが接触する金属の部分を融解するために強大で十分なエネルギーを有するビームの部分のみを金属部分と接触することを可能にすることができる。

１つの実施形態において、タングステン製またはステンレス鋼製のマスクが、電子ビーム射出装置と金属表面部分の間に配置されることができる。マスクは、マスキング材料の過熱を防ぐために能動的に冷却されることができる。一般的に、マスキング材料は電子ビームが適用される材料よりも高い融点を有するべきである。他の実施形態において、低いエネルギー変動を伴うビームを提供する方法に基づいて電子ビームを集束するために、磁気レンズが利用されることができる。いくつかの場合において、このビーム集束は、マスクをせずに電子ビームが利用されることを可能にできる。

これら及び他の実施形態は、図１から図８Ｂを参照して以下に説明される。しかし、当業者は、これら図に関する明細書中の詳細な説明は、説明の目的のみのためであり、限定するものとして解釈されるべきではないことを理解するであろう。

図１は、例示的な電子ビーム射出装置１００のブロック図を示す。電子ビームプロセッサ処理装置１００は、電子ビームが射出されるプラズマカソードを含む。本発明の実施形態と共に使用されることができる１つの特定の電子ビームの実施形態は、[Ｖ．Ｎ． Ｄｅｖｊａｔｋｏｖ ｅｔ ａｌ， Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ ｂｙ Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ， ７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍｓ ａｎｄ Ｐｌａｓｍａ Ｆｌｏｗｓ， Ｔｏｍｓｋ Ｒｕｓｓｉａ， ２５−２９ Ｊｕｌｙ ２００４ ｐ４３−４８]の報告書において十分に説明されており、この報告の全体が参考として組み込まれている。なお、本実施形態は一般的にアルミニウム基板から金属間化合物の除去に関するものである一方、援用される報告書において記載されるプロセスはチタン及び鋼の電子ビーム研磨であることに留意するべきである。アルミニウム電子ビーム処理は、鋼及びチタンに用いられるものとは実質的に異なるパラメータ及びビーム幅を用いることを電子ビーム射出装置に要求する。例えば、従来のチタンまたは鋼の電子ビーム処理と関連する電子ビームは一般的に、有効な約２０−３０ｍｍの径を有することができるアルミニウムに適合する電子ビームよりも、とても小さい有効な電子ビーム径を有する。図１において、電子ビームプロセッサ１００に関連する構成要素を示すブロック図が例示される。電子ビーム射出装置１０２は、２０−３０ｍｍの径のちょうど外側において電子ビーム１０４に関連する出力レベルが最大出力の約６０％に低下するガウス分布を一般的に有する電子ビーム１０４を射出することができる。約４６ｍｍの径において、有効性は完全に低下する。さらに電子ビームは、ビームの有効性が急速に低下する軸から約３０°の点まで効果的にアルミニウムの表面を研磨する。いくつかの適用において、電子ビームの径は約１０ｍｍまで減少されることが可能であることに留意されるべきである。電子ビーム射出装置１０２はトリガー１０６、アーク１０８、及び加速電圧電源１１０に電気的に連結される。射出された電子ビーム１０４は加工物１１２の表面と接触することができる。加工物マニピュレータ／ヒートシンク１１４は、電子ビーム１０４が加工物１１２の表面にわたって着実に走査し続けるように、電子ビーム１０４と関連して加工物１１２を操縦することができる。以下のパラメータは、アルミニウムに適用されたときの電子ビームプロセッサ１００の許容可能な結果を生むことが発見された：加速電圧は５〜２５ＫｅＶ；ビーム電流は２０〜３００Ａ；パルス反復率０．３−２０Ｈｚを伴う電子ビームパルス持続時間は約５０〜２００μｓ、である。

図２Ａは、矢印２０２によって表される方向及び速度において、直線の軌道を通過する電子ビーム１０４を示す。電子ビームの速度は、約３０ｍｍ／秒であることができる。電子ビーム１０４は、高エネルギーの領域２０４及び低エネルギーの周囲領域２０６を含む。電子ビーム１０４内のエネルギー分布は、曲線２０８により表される。電子ビーム１０４内のエネルギー分布は、本質的にガウス分布であり、且つ、描写されるようにビームの周囲部分に向かって次第に薄れる。電子ビーム１０４が金属基板に適用されるときに、低エネルギーの周囲領域２０６は、金属基板の表面を融解するための十分なエネルギーを含まない電子ビーム１０４を示すことができる。個別の点のビームが不連続の位置において描写されているが、電子ビーム１００は位置の間を定期的に移動されるよりも、一定の速度において金属基板の表面にそって移動するように構成されることができることを理解されるべきである。

図２Ｂは、エネルギー密度分布曲線２０８の更に詳細な図を示す。一般的に、電子ビームのエネルギー密度は、ビーム中心において最大であり、電子ビームの周囲領域に向かって次第に薄れる。さらに具体的には、図２Ｂに示されるように、電子ビームのエネルギー密度は、最大密度Ｅｍａｘがビーム中心Ｒ_０エネルギーにおいて発生し且つ電子ビームの周囲領域に向かって次第に薄れるような電子ビームの幾何学的形状の関数である。さらに、閾値２１０は特定の金属基板の表面を過熱するために電子ビーム１０４に要求される最少のエネルギーを定義する。Ｒ_Ｌは、金属基板の所望される相変化を生じさせるために用いられることのできるレーザーの最大半径を表す。Ｒ_ＬとＲ_Ｂの間に位置する領域に対応するビームの部分は、加工物内の金属間化合物の形成を生じる付加的な熱を伴って金属基板に浸透することができる。付加的なエネルギーが電子ビーム１０４に加えられている間はエネルギー閾値２１０を超えて曲線２０８の部分はおそらく上昇する可能性があり、このようなエネルギーの上昇はエネルギーの浪費を伴う問題を引き起こす可能性があること、及びいくつかの場合においては、熱が表面を通り深く浸透するために金属基板が軟化しすぎたときに金属基板の変形が生じる可能性がある。これらの理由のため、エネルギー密度分布曲線２０８は上限及び下限の両方を有する。１つの実施形態においては、電子ビーム１０４のエネルギー密度の上限は約１０Ｊ／ｃｍ^２であることができる。図２Ｃにおいて表される相図は、電子ビーム１０４のエネルギー出力の制限についてのさらなる見識を提供する。

図２Ｃは、金属材料の４つの異なる相を例示する一般的な相図を示している。縦軸は金属材料の温度を示し、横軸は金属材料の組成を示す。電子ビームは、材料の少なくとも一部へ十分なエネルギーを届けることにより、その部分の温度を材料が一方の相から他の相へ変化する相転移温度に上昇するために使用されることができる。例えば金属材料がＸ_０に対応する組成を有し、且つ相Ｉである場合、材料が温度Ｔ_０を超えた時に電子ビーム放射は材料を相ＩＩに変化させることができる。記載される実施形態の文脈において、相Ｉから相ＩＩへの相変化は過熱された状態になった金属材料を示す。過熱された状態は、電子ビーム処理された材料の部分における金属間化合物のような不純物が分解されることを可能にする；しかし、図に示されるように、過熱された相の状態が相ＩＩに示される場合、材料はその特定の金属相において維持されるべき金属材料のためのＴ_１とＴ_２の間の温度に維持されなければならない。温度は、一般的に電子ビームの特定のエネルギー分布と電子ビームの走査速度に対応する。より速い電子ビームの走査スピードは、より速い速度でより多くの部品を仕上げるために、より有効であってもよい。より速い走査速度は、一般的により高いエネルギー出力の電子ビームに対応し、電子ビームの走査速度及びエネルギー密度は、所望される金属材料の金属相に対応する電子ビーム処理をされる材料の表面の温度範囲に対応するようにバランスがとられる。組成Ｘ_０は、相ＩＩＩに到達するＴ_１に対応する上限を有する一方、異なる組成は単一の相が維持されることが可能なより大きい範囲を有することができることに留意されるべきである。例えば記載される相図において、組成がわずかにＸ_０の左へシフトされた場合、より高い上限温度が達成される可能性がある；しかし、多くの場合において特定の組成に関連して所望される治金学的特性はこのようなシフトを許容しないであろう。

図２Ｄは電子ビーム内の加圧された電子の電子エネルギーを示す。この例示的な図において、電子のエネルギー分布は図２Ｃに示される組成Ｘ_０に対応する。図の左側の電子は金属材料をガンマ状態からベータ状態に変える十分なエネルギーを有さない一方、中央の電子は金属材料をＴ_０とＴ_１の間の温度にすることができる。図の右側の電子は金属材料を、ベータ状態を通ってデルタ状態に変えることができるため、金属材料を付与された適用のために望ましい状態の外へ押し出してしまう。電子ビームの総エネルギーを低減することによって、図はビームが３つの状態のうち２つのみを含むようにバイアスされることが可能である。例えば、電子ビームエネルギーを低減することによって、ベータ相に到達するために十分なエネルギーを伴う電子のみがビームの中に存在することができる。低いエネルギー電子は一般的にビームの周囲部分に沿ってみられるため、周囲部分をマスキングすることは、ビームに接触した金属材料の全ての部分をベータ相にする細いビームを生み出すことができる。いくつかの電子ビーム構成において、電子ビームの周囲部分及び中心部分は、ベータ相変化をもたらすためにマスキングされることができる。電子ビームのエネルギーレベルを変更することの代わりに、電子ビームが金属材料を通過する際の速度もＥ_ｂ０及びＥ_ｂ１に関連する値をシフトすることができる。

図３Ａは、中心エネルギーレベルを下回る電子ビームの部分をマスキングするための装置を示す。電子ビーム１０４は、図１において記載される電子ビーム射出装置に類似する電子ビーム射出装置から射出されることができる。記載されているように、電子ビーム１０４が加工物１１２に向かって移動すると、いくらかの分散を受けてしまうことがある。したがって、マスク３０２を加工物１１２に近接して配置することが有益であってもよく、加工物に接触する電子ビーム１０４のサイズがマスク３０２内の隙間により正確に制御されることを可能にする。マスク３０２は電子ビーム１０４の周囲の部分がマスク３０２に接触するために生じる加熱を受けるため、マスクの材料の特性及び充分な冷却が、電子ビーム射出の作業中におけるマスクの溶解若しくは変形を防ぐために重要であってよい。マスク３０２は一般的に、加工物１１２より高い融点を有する材料で構成されるべきである。例えば、加工物１１２がＡＩＳＡ Ａ６０６３などのようなアルミニウム合金で作られる場合は、マスク３０２はタングステン若しくはステンレス鋼で作られることができる。能動冷却はマスク３０２内で熱がたまることを防ぐことを促進することができる。能動冷却はマスク３０２と熱的に接触する熱除去構成要素を配置することによって構成されることができる。１つの実施形態において、複数の冷却管３０４のそれぞれは、ヒートシンク３０６を介してマスク３０２に熱的に結合することができる。冷却管３０４のそれぞれは、熱伝達ペーストを介してヒートシンク３０６に熱的に結合されることができることによって、冷却管３０４とヒートシンク３０６の間の充分な伝導性の熱伝導を可能にする。能動冷却はまた、加工物１１２に適用されることができる。加工物１１２を加工物ヒートシンク３０８と直接的な熱接触をするように配置すると、電子ビーム１０４により加工物１１２へ付与されたエネルギーは、能動的冷却のさまざまな形態により充分に放散されることができる。記載されるように、複数の冷却管３０４は、加工物ヒートシンク３０８と熱的に接触され、加工物１１２から充分な熱放散を可能にする。様々なほかの熱拡散の形態が用いられることが可能であり、また電子ビーム放射が周期的であるのみであるいくつかの場合においては、能動冷却が利用されることが必要ではないことに、留意されるべきである。また、マスク３０２は多くの寸法、形状及び構成をとることができることが留意されるべきである。いくつかの実施形態では、マスク３０２は電子ビーム１０４の径に応じた寸法及び形状を有する固定された円形状の隙間を定義する。他の実施形態においては、マスク３０２は電子ビームの作業中に変更されることができる開口部を提供するように構成される調節可能な絞りであることができる。このように、電子ビームは現在標的とされる加工物１１２の部分のための寸法にされることができる。このような構成はまた、電子ビーム１０４を様々な材料構成を有する加工物のために適合させるために有用でありえる。さらに別の実施形態では、マスク３０２は、図３Ｂに示されているように、電子ビームが通過されるのに沿ったチャネルを形成することができる。

図３Ｂは、マスクされた電子ビーム射出装置の上面図を示す。マスク３０２を電子ビーム１０４のいずれかの側に配置することにより、電子ビームの周囲部分は、もはや加工物１１２上に入射しない。代わりに、電子ビーム１０４の低いエネルギーの周囲領域２０６に関連するエネルギーが、マスク３０２により吸収され且つ冷却管３０４により放散される。このように、高いエネルギーの領域２０４に隣接する加工物１１２の部分の過熱は最小化されることが可能であることによって、加工物１１２の表面部分に沿った金属間化合物の生成を実質的に減少する。

１つの特定の実施形態において、マスクされた電子ビームは摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）作業が施された金属基板の表面を処理するために用いられることができる。図４Ａは代表的なＦＳＷ作業の透視図を示す。ＦＳＷは金属４０２及び４０４の２つの部品を共に結合するために用いられる。結合されるべき金属の表面は共にしっかりと固定される。ＦＳＷ作業はＦＳＷ工具４０６を含む。ＦＳＷ工具４０６は、少なくとも肩部４０８及びピン４１０を典型的に含む回転する工具である。いくつかの実施形態において、ピン４１０は直径約３ｍｍであることができる。ＦＳＷ工具４０６が速く回転することにより、工具回転の矢印により示される方向において、ピン４１０は接合領域に対して金属部品４０２及び金属部品４０４の間の表面の両側の金属が撹拌するために十分な熱を付与する摩擦を作り出すことができる。このようにして、摩擦撹拌接合された領域４１２は形成され、金属部品４０２及び４０４を共に結合する。図４Ｂは、図４Ａの例示的なＦＳＷ作業の側断面図Ａ−Ａを示す。ＦＳＷ工具４０６の肩部領域４０８は、ＦＳＷ作業中に少なくとも金属基板の上面に接触する。ピン４１０はＦＳＷ作業中に金属基板へ導入された熱の結果によりピン４１０の周囲に広がる摩擦撹拌接合の領域４１２を作る。

図５ＡはＦＳＷ作業により形成されることができる例示的なポータブルコンピューティング装置のハウジング５００を示す。コンピューティング装置のハウジング５００は２つの別々のハウジング構成要素５０２及び５０４から構成されることができる。ハウジング構成要素を別々に機械加工することにより、部品がＦＳＷ作業において共に結合される前に構成要素のそれぞれに特徴が刻まれることができる。一度２つのハウジング構成要素が形成されたら、２つの部品は図５Ｂに示されるように一緒にされることができる。図５Ｂにおいて、ＦＳＷ作業が開始される前に、圧縮力がハウジング構成要素５０２及び５０４のそれぞれに適用されることができる。ＦＳＷ作業は確実にハウジング構成要素５０２及び５０４を一緒に結合する。残念ながら、ＦＳＷ作業中に含まれる熱が摩擦撹拌接合の領域において金属間化合物が成長することを引き起こすことによって、従来の仕上げ方法が使用される場合に摩擦撹拌接合の領域とハウジング５００の他の部分との間に実質的な表面的な差異が生じる。このような差異は完成した部品を装飾的に容認できない状態にする。例えば、表面に沿って存在する金属間化合物は、機械的な研磨作業中に表面の部分が剥落すること（剥落片は一般的にオレンジの皮と呼ばれる）を引き起こす。多くの場合において、金属間化合物により引き起こされる剥落は機械的な研磨手段によって基板全体にミラー（ｍｉｌｌｅｒ）表面を作ることの妨げとなる。図５Ｃは、どのように電子ビームが摩擦撹拌接合の領域を過熱するために使用されることができるかを示す。ビームのフットプリント５０６は、摩擦撹拌接合の領域の位置に対応するハウジング５００についての軌道５０８を通過するときの電子ビームの位置を示す。電子ビームは接合領域の表面から増大した金属間化合物を除去し、ハウジング構成要素５０２と５０４及び摩擦撹拌接合の領域の間の移行部にわたる一貫した仕上げを作るためのその後の仕上げ作業を可能にする。

図６は、摩擦撹拌接合をしたアルミニウム基板に電子ビーム放射を適用するために構成される特定の仕上げ方法６００を示すブロック図を示す。第１の工程６０２においては、第１のアルミニウムブロックと第２のアルミニウムブロックが摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）作業により一緒に結合される。摩擦撹拌接合作業はアルミニウム基板内の金属間化合物の寸法を増大する傾向がある。工程６０４において、電子ビーム照射は結合された第１及び第２のアルミニウムブロックのＦＳＷ領域に適用される。電子ビーム照射に関連する電子ビームは、アルミニウム基板への電子入射の全ての部分が電子ビームが接触したアルミニウムを融解するために十分なエネルギーを有するように、マスクされることができる。これは、アルミニウム表面を融解するために十分なエネルギーを持たないビームの周囲部分が、アルミニウム表面内にさらに金属間化合物を形成する加熱を生じることを防ぐ。工程６０４の後に、金属間化合物はアルミニウム基板の表面へ約２０ミクロン及び３０ミクロンに実質的に分解されうる。工程６０６において、化学的研磨作業が金属のＦＳＷ領域へ適用される。米国特許出願番号１３／８２６，６８１に記載される化学的研磨作業が結合された第１及び第２のブロックの表面を滑らかにするために使用されることができる。工程６０８において、機械的研磨作業が所望の表面仕上げを達成するために実施されることができる。この方法は陽極酸化が適用されることができる一貫した表面を作ることが可能で、一貫性があり且つ満足な表面仕上げの状態にする。これは微細な研磨剤を用いて達成されることができる。１つの特定の実施形態において、ダイヤモンドペースト研磨が利用されることができる。このような仕上げ工程はアルミニウム基板の表面から約５ミクロン以下除去する。

図７Ａ及び図７Ｂは、電子ビーム照射前と後におけるアルミニウム基板の電界放出型走査電子顕微鏡を用いた前及び後の外観図を示す。図７Ａにおいて、複数の黒い粒子はアルミニウム基板の表面に沿って存在する。黒い粒子は金属間化合物を示す。電子ビーム放射が適用された後、実質的に金属間化合物の全てがアルミニウム基板の表面から分解されることによって、アルミニウム基板の表面に沿って実質的に均一化された領域を提供することが可能になる。これは金属間化合物が、アルミニウム基板の表面部分にわたる後続する仕上げ作業に干渉することを防ぐ。設定された電子ビーム照射は、約３０ミクロンの深さまで金属間化合物を分解することが一般的に有効であることに、留意されるべきである。

図８Ａは、電子ビーム照射を受けたアルミニウム基板８００の電界放出型走査電子顕微鏡により得られた側断面図を示す。結果として、金属間化合物は表面近傍に存在しない。第１の金属間化合物８０２はアルミニウム基板の表面の中の約３０ミクロンに位置している。これは、機械的な研磨作業の間は金属間化合物に遭遇することなく、ある量の表面の層が除去されることを可能にする。さらに、後続する陽極酸化処理は典型的にアルミニウム基板の表面の約２０−３０ミクロンに浸透する。結果として、電子ビーム照射はまた、金属間化合物と陽極酸化層との間の干渉を防ぐ。図８Ｂは、アルミニウム基板８００の電子後方散乱回折の側断面図を示す。この図において、アルミニウム基板８００の粒状組織が示される。これは、どのように電子ビーム照射がアルミニウム基板の表面に沿ってより大きなアルミニウム基板８００の粒状組織を作るかを示している。

様々な態様、実施形態、実装形態、または記載された実施形態の特徴が、個々に若しくは任意の組み合わせにおいて使用されることができる。記載された実施形態の様々な態様が、ソフトウェア、ハードウェア、またはハードウェアとソフトウェアの組み合わせにより実施されることができる。記載された実施形態は、製造作業を制御するためのコンピュータ読み取り可能な媒体上にコンピュータ読み取り可能な暗号として、若しくは製造ラインを制御するためのコンピュータ読み取り可能な媒体上にコンピュータ読み取り可能な暗号として、具体化されることができる。コンピュータ読み取り可能な媒体の例としては、読み出し専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＨＤＤ、ＤＶＤ、磁気テープ、及び光データ格納装置を含む。コンピュータ読み取り可能媒体はまた、コンピュータ読み取り可能暗号が分散形式で格納され及び実行されるために、ネットワーク結合されたコンピュータシステム上に分散されることができる。

前述の記載は、説明の目的のために、記載した実施形態の完全な理解を提供するため特定の専門語を使用した。しかし、特定の詳細は記載された実施形態を実施するために要求されないことは、当業者にとって明確であろう。そのため、特定の実施形態の前述の記載は例示及び説明の目的のために示されている。前述の記載は、網羅的である意図もなければ、記載された実施形態を開示された正確な形式に限定する意図もない。上記の教示に鑑みて多くの修正及び変更が可能であることは、当業者には明らかであろう。

Claims (18)

1. 電子ビームで金属加工物の表面部分を処理するためのシステムであって、
   第１のエネルギー分布を有する電子ビームを射出するように構成される電子ビーム射出装置と、
   前記電子ビーム射出装置と前記金属加工物との間に配置され、前記電子ビーム射出装置により射出される前記電子ビームに作用し、前記第１のエネルギー分布を第２のエネルギー分布に変更する機構と、を備え、
   前記第２のエネルギー分布は、あらかじめ選択された金属相に対応する温度範囲内に前記金属加工物の前記表面部分を維持する電子ビームエネルギーの範囲に制限され、
   前記機構は、前記電子ビームにより前記機構へ伝達されるエネルギーを取り除くために能動的に冷却されることを特徴とする、システム。
2. 前記機構は、シャッターシステムを備え、
   前記シャッターシステムは、前記電子ビームのあらかじめ選択された部分及び関連する電子ビームエネルギーを吸収するように構成される調節可能な絞りを含み、
   前記調節可能な絞りは開口部を定義し、前記開口部は、前記開口部に入射する前記電子ビームの実質的に全てが遮られないように通過することを可能にすることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記調節可能な絞りにより吸収される前記電子ビームの前記あらかじめ選択された部分は、前記あらかじめ選択された金属相と整合しない電子ビームエネルギーに対応することを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
4. 前記機構は固定された開口部を含むマスクを備え、前記開口部は、前記開口部に入射する前記電子ビーム入射の実質的に全てが遮られないように通過することを可能にするように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
5. 前記固定された開口部は、前記第２のエネルギー分布に対応することを特徴とする、請求項４に記載のシステム。
6. 前記システムは、金属加工物を処理するために、金属間化合物の粒子が前記金属加工物内に形成される金属加工作業に続いて、使用されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
7. 前記金属加工作業は、摩擦撹拌接合であることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
8. 前記加工物は、電子ビーム処理作業の間、能動的に冷却される加工物マニピュレータに結合されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
9. 前記機構は、前記電子ビームの実質的に全てが前記第２のエネルギー分布を有するように変更されるための、前記電子ビームを集束する磁気レンズであることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
10. 金属加工物の表面部分を処理するために電子ビームを調整する方法であって、
    第１のエネルギー分布を有する電子ビームを射出する工程と、
    シャッターシステムを使用して、前記第１のエネルギー分布を第２のエネルギー分布に変更する工程と、を備え、
    前記第２のエネルギー分布は、あらかじめ選択された金属相に対応する温度範囲内に前記金属加工物の前記表面部分を維持する、電子ビームエネルギーの範囲に制限され、
    前記シャッターシステムは、前記電子ビームのあらかじめ選択された部分及び関連する電子ビームエネルギーを吸収するように構成される調節可能な絞りを含み、
    前記調節可能な絞りは開口部を定義し、前記開口部は、前記開口部に入射する前記電子ビームの実質的に全てが遮られないように通過することを可能にする
    ことを特徴とする方法。
11. 前記変更する工程は、前記金属加工物へ入射する前記電子ビームの径を変化させることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. さらに、前記加工物に、能動的な冷却を適用する工程を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記電子ビームにより誘導される前記あらかじめ選択された金属相では、前記金属加工物の処理される表面の２０ミクロン以内の金属間化合物が分解されていることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. アルミニウム基板の表面部分を均一化するための電子ビーム処理装置であって、
    電子ビームを射出するように構成される電子ビーム射出装置と、
    前記電子ビーム射出装置と前記アルミニウム基板の間に配置される電子ビーム調整要素と、を備え、
    前記電子ビームは、第１の金属相から第２の金属相へと前記アルミニウム基板の表面部分の金属相を変化させるエネルギー密度を有する中心部分を含み、当該変化は前記表面部分の温度を前記金属相における前記変化に対応する相転移温度以上に増大させる熱を前記表面部分に付与することによって起こり、
    前記電子ビーム調整要素は、電子ビーム処理作業の間、前記電子ビームの前記中心部分のみを前記アルミニウム基板に接触させることができる開口部を定義する金属基板を含み、前記電子ビームの前記中心部分は、前記表面部分へ付与される前記熱に対応するエネルギー分布を有し、及び前記電子ビーム調整要素は前記金属基板と熱的に接触し且つ前記金属基板から熱を除去するように構成される能動冷却装置を含む
    ことを特徴とする電子ビーム処理装置。
15. 前記電子ビームは、１０Ｊ／ｃｍ^２の最大エネルギー密度を有することを特徴とする、請求項１４に記載の電子ビーム処理装置。
16. 前記電子ビーム調整要素の前記金属基板は、前記アルミニウム基板に関連する融点よりも高い融点を有する金属により作られることを特徴とする、請求項１５に記載の電子ビーム処理装置。
17. 前記能動冷却装置は、複数の冷却管を備えることを特徴とする、請求項１６に記載の電子ビーム処理装置。
18. 前記金属基板は、処理が行われる前記アルミニウム基板の領域に応じて前記開口部の寸法を変化するように構成される絞りを備えることを特徴とする、請求項１６に記載の電子ビーム処理装置。