[發(fā)明專利]一種實(shí)現(xiàn)小束斑高壓脈沖電子束轟擊的裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310346979.3
• 申請日: 2013-08-09
• 公開（公告）號: CN103849716A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許海鷹;左從進(jìn);鞏水利;付鵬飛;張偉;韓瑞清;韓鵬;陸幼青
• 申請（專利權(quán)）人: 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所
• 主分類號: C21D1/09
• 分類號: C21D1/09;C21D9/50
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 陳宏林

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是一種實(shí)現(xiàn)小束斑高壓脈沖電子束轟擊的裝置，屬于材料表面改性處理技術(shù)領(lǐng)域。?

背景技術(shù)

材料表面改性常用的載能束有激光束、離子束、電子束，激光束與材料表面相互作用時，能量轉(zhuǎn)化效率低，一般在5%～10%，對鈦合金材料進(jìn)行表面改性，需要在良好的保護(hù)環(huán)境下進(jìn)行；離子對材料的穿透能力遠(yuǎn)低于電子，材料表面改性層的性能決定于注入元素的性能，而且存在元素注入、難以形成大厚度改性層等問題。與激光、離子束表面改性技術(shù)相比，電子束與材料作用時，能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)80%以上；在真空環(huán)境下工作，幾乎不存在材料表面被污染的問題；并且電子束的可控性更好，耦合效率更高。?

常規(guī)電子束表面改性技術(shù)包括電子束表面強(qiáng)化技術(shù)、強(qiáng)流脈沖電子束轟擊表面改性技術(shù)。電子束表面強(qiáng)化技術(shù)有電子束表面淬火、電子束表面熔凝、電子束表面合金化等技術(shù)，它是利用電子束功率密度(10⁶～10⁹W/cm²)大的特點(diǎn)，使金屬表面材料迅速加熱熔化，并借助于冷態(tài)基體迅速冷卻，獲得一般冷卻速度下無法得到的化合物、過飽和固溶體、微晶，使得材料的硬度、耐腐蝕性、耐磨性等性能得到大幅度提高。該技術(shù)一般需要采用中壓60kV或高壓150kV電子束發(fā)生裝置配合電子束偏轉(zhuǎn)掃描技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)的局限性在于不易對電子束輸入能量進(jìn)行精確控制，材料熱影響區(qū)大，工藝比較復(fù)雜，控制不當(dāng)，易產(chǎn)生裂紋。?

強(qiáng)流脈沖電子束轟擊表面改性技術(shù)通常是指采用加速電壓30kV左右、脈寬2μs左右、電流密度1000A/cm²、輸入能量大于2J/cm²、束斑直徑在幾十mm的大束斑電子束轟擊材料表面的一種材料表面改性技術(shù)。采用大電流密度的電子束轟擊材料表面，可使入射能量瞬間沉積到金屬?表面的薄膜層內(nèi)，形成溫度梯度極高的熱作用區(qū)，同時，后續(xù)電子束能量繼續(xù)輸入，使金屬表層出現(xiàn)熔化、汽化及熔體噴發(fā)等物理現(xiàn)象，由于非均勻溫度分布與金屬蒸汽反作用力共同作用于金屬材料表面，使得被電子束轟擊區(qū)域的微觀組織和應(yīng)力分布狀態(tài)發(fā)生顯著變化，從而實(shí)現(xiàn)常規(guī)表面處理技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的表面改性效果。通常電子束的束斑通過聚焦獲得，是一種圓形焦斑，電子束能量呈典型的高斯分布，束斑直徑越大，則電子束轟擊的邊界效應(yīng)越明顯，需要采用特殊的均勻化電子束能量的技術(shù)，才能使束斑能量分布均勻。并且，大束斑轟擊需要的電子束束流高達(dá)幾百甚至上千A/cm²，這對于電源及電子槍的制造技術(shù)要求極其苛刻。?

近年來，為了實(shí)現(xiàn)減重增效，提高結(jié)構(gòu)重量系數(shù)，新型飛機(jī)大量使用鈦合金材料，而鈦合金構(gòu)件上的焊縫、孔等通常是承載較重，受力分布極不均勻的關(guān)鍵位置，通常需要后續(xù)強(qiáng)化處理工藝對焊縫、小孔邊緣進(jìn)行處理，以滿足特殊條件的應(yīng)用需求。?

采用常規(guī)電子束表面改性技術(shù)對鈦合金構(gòu)件的焊縫、小孔邊緣進(jìn)行表面改性處理，很難使被處理的鈦合金構(gòu)件達(dá)到理想的處理效果。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明正是為了彌補(bǔ)大束斑電子束轟擊材料表面改性技術(shù)針對小孔邊緣或復(fù)雜焊接構(gòu)件焊縫表面強(qiáng)化處理方面的不足，設(shè)計(jì)提供了一種實(shí)現(xiàn)小束斑高壓脈沖電子束轟擊的裝置，其目的是針對航空工業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的需求，在不改變電子束能量密度的前提下，縮小電子束束斑，配合偏轉(zhuǎn)掃描技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對小孔邊緣、筋條與蒙皮之間焊縫或加強(qiáng)框、梁焊縫的強(qiáng)化，與掃描頻率同步，采用束斑搭接方式，實(shí)現(xiàn)對材料表面的大面積強(qiáng)化。?

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：?

本發(fā)明技術(shù)方案提供了一種實(shí)現(xiàn)小束斑高壓脈沖電子束轟擊的裝置，其特征在于：該裝置包括大功率高壓電源(1)、脈沖偏壓電路(2)、燈絲加熱電路(3)，分別產(chǎn)生的電壓為-150kV、-2000V、12V，大功率高?壓電源(1)通過電纜Ⅰ(21)與脈沖偏壓電路(2)聯(lián)接，偏壓電路(2)通過高壓電纜Ⅲ(33)聯(lián)接?xùn)艠O(42)，大功率高壓電源(1)還通過電纜Ⅱ(22)與燈絲加熱電路(3)聯(lián)接，燈絲加熱電路(3)通過高壓電纜Ⅰ(31)、高壓電纜Ⅱ(32)與燈絲(41)聯(lián)接，加熱燈絲(41)，時序控制電路(6)通過導(dǎo)線A(62)聯(lián)接脈沖偏壓電路(2)，時序控制電路(6)還通過導(dǎo)線B(61)聯(lián)接偏轉(zhuǎn)掃描電路(7)，偏轉(zhuǎn)掃描電路(7)通過導(dǎo)線C(71)聯(lián)接偏轉(zhuǎn)線圈(45)，聚焦電路(8)通過導(dǎo)線D(81)聯(lián)接聚焦線圈(44)；?