3.3. Технологические процессы с электронным нагревом

В технологических процессах электронного нагрева обеспечиваются плотности мощности от10⁵ до10¹² Вт/м² (от 0,1 до 10⁷ Вт/мм²). Для нагрева без плавления достаточно плотности мощности менее 100 Вт/мм², для плавления - до 10 кВт/мм², и для испарения – до 1000 кВт/мм². Выбор конкретного значения плотности мощности определяется физическими характеристиками материала и видом обработки. Например, при плавлении металла электронным потоком с плотностью мощности 100 Вт/мм² следует учесть, что на плавление расходуется примерно 35% мощности луча, 60 % отводится в объем металла и 5 % уносится с испаряемыми частицами.

Обработку можно производить как сфокусированным, так и несфокусированным потоком электронов.

Обработка несфокусированным потоком электронов

Нагрев несфокусированным потоком используется для обезгаживания материала деталей, рекристаллизации пленочных композиций перед механической обработкой в вакууме или диффузионной сваркой. Проводят вакуумной камере с металлическими термоэмиссионными катодами, ускоряющие напряжения до 10кВ, возможен предварительный нагрев без ускоряющего напряжения тепловым излучением катодов.

Переплав в вакуумной электронно-лучевой установке применяется в производстве особо чистых либо агрессивных и нестойких материалов. При этом концентрация примесей может быть снижена, например, в полупроводниковых материалах до 10^-8 -10^-10. Возможно одновременное получение сплавов разных металлов. Применяется для выращивания монокристаллов по методам Чохральского и Вернейля.

Электронно-лучевая обработка

Реализуется при воздействии сфокусированного электронного луча на материал.

Сварку электронным лучом можно вести при низком (до 30 кВ) ускоряющем напряжении, среднем (до 60 – 80 кВ) и высоком (до 200 кВ). Электронный пучок на поверхности металла фокусируют в пятно диаметром от 0,1 мм до нескольких миллиметров, что при мощности луча от1 до 100 кВт позволяет достигать плотностей мощности 1…100 кВт/мм².

Изменяя параметры процесса, можно получать различные соотношения глубины проплавления h к ширине шва d. Различают следующие режимы сварки: мягкий (h<<d), переходный (h d), жесткий (h>d), с «кинжальным» проплавлением (h>>d). Глубокое проплавление достигается при относительно малом вводе энергии в материал.

Простота управления параметрами пучка во времени и в пространстве позволяет реализовать как непрерывную, так и импульсную обработку, выполнять швы сложной конфигурации. Выбор режима сварки зависит от теплофизических свойств материалов, конструкции сварного соединения и требуемой геометрии зоны проплавления.

Для формирования шва сфокусированный электронный пучок должен перемещаться вдоль линии соединения с определенной скоростью. При непрерывном соединении чаще всего соблюдают соотношение h d. Глубина проплавления при низких и средних ускоряющих напряжениях зависит от мощности пучка. Если пренебречь рассеянием электронов в парах материала, то сила тока луча и ускоряющее напряжение примерно одинаково влияют на глубину проплавления. При высоких ускоряющих напряжениях значительная часть мощности расходуется на ионизацию паров области кратера проплавления.

При транспортировке пучка к свариваемым материалам электроны соударяются с молекулами остаточных газов и паров материала и рассеиваются. Значительное расширение луча наблюдается уже при давлении 1…10 Па. При числах соударений более 20 происходит уменьшение отношения h/d, если же это число достигает уровня примерно 10⁴, электроны в луче расходятся под углом более 10⁰ к первоначальному направлению и сварку выполнять невозможно. Поэтому в сварочных камерах поддерживаю вакуум не хуже 10^-2 Па.

Однако при ускоряющих напряжениях более 125 кВ и расстоянии от выходного отверстия электронной пушки до детали в несколько миллиметров можно выполнять сварку с соотношением h/d = 1…5 даже при атмосферном давлении. Установлено, что при силе тока пучка, выходящего в атмосферу, порядка 30 мА плотность атмосферного газа в области потока электронов снижается в 8 раз, следовательно, возможно подведение к поверхности материала потока электронов с достаточной для сварки плотностью.

Одной из проблем сварки является требование ограничения степени закалки и предотвращения появления закалочных трещин. Для этого нужно снизить скорость нагрева, например, предварительно подогревая области, прилегающие к будущему шву. Это можно сделать расфокусированным электронным потоком, сканируя им вдоль и поперек шва и создавая тепловые поля с необходимыми характеристиками. Для полного или частичного восстановления свойств материала в зоне шва в качестве заключительной операции проводят отжиг, осуществляемый так же, как и предварительный подогрев.

Особый интерес представляет сварка с «кинжальным»проплавлением при h/d = 40…50. Она реализуется при больших ускоряющих напряжениях и плотностях мощности 10⁵…10⁶ Вт/мм² и более. Так как глубина проникновения электронов в материал пропорциональна квадрату ускоряющего напряжения, то основное выделение энергии происходит под поверхностным слоем. Перегрев в глубине материала не компенсируется отводом тепла за счет теплопроводности, поэтому возникает плазменный канал с высоким давлением пара, определяемым температурой и достигающим сотен – тысяч паскалей. Канал периодически перекрывается жидкой пленкой, сквозь которую электроны пучка проходят с малыми потерями, отдавая свою энергию, в основном, на испарение материала со дна канала. Давление паров повышается и разрывает пленку, но перед этим из-за высокой концентрации частиц происходит интенсивное рассеяние энергии на стенках с образованием жидкой фазы материала. Жидкая фаза выталкивается парами вверх и вновь перекрывает канал в его верхней части. В режиме «кинжального» проплавления ширина швов уменьшается пропорционально величине . Для регулирования тепловой нагрузки на прилегающие области применяют импульсный режим работы электронной пушки.

Размерная обработка проводится с помощью остросфокусированных потоков электронов с плотностями мощности не менее 5*10⁶ Вт/мм² . Заключается в интенсивном испарении материала из зоны воздействия луча с минимальным образованием жидкой фазы. Используется для формирования планарных изображений, подгонки электрических номиналов элементов тонкопленочных микросхем, обработки изделий из труднообрабатываемых механически материалов, таких, как керамика, металлокерамика, ферриты, полупроводниковые материалы и т. п. Мощность установок в непрерывном режиме обычно не превышает 1 кВт, в импульсном – 15 кВт. Результат зависит от теплофизических свойств материала (температуры плавления, теплопроводности, удельной теплоемкости, плотности). Профиль образуемого канала и его поперечный размер зависят от параметров процесса: плотности мощности, длительности импульса при импульсном режиме, силы тока, положения фокуса пучка относительно обрабатываемой поверхности. При больших плотностях мощности и ускоряющих напряжениях порядка 100…175 кВ в зоне обработки возникают очень высокие температуры и температурные градиенты (порядка 10⁵ К/мм). Все известные материалы при таких условиях плавятся и затем испаряются либо непосредственно сублимируют.

Для размерной обработки целесообразно использовать импульсные режимы, одно- и многоимпульсные, при которых в паузе между импульсами зона обработки охлаждается. Импульсные режимы эффективны, например, при обработке многослойных пленочных структур. Толщина обрабатываемых пленок обычно не превышает 10…100 нм. Особенности установок для такой обработки: применение электронных пушек с большими фокусными расстояниями и значительным полем отклонения луча (до 3000 поперечных размеров луча), обработка металлических и полупроводниковых пленок на диэлектрических подложках.

Напыление пленок в вакууме электронно-лучевым испарением материала. Электронный луч используется для испарения наносимого материала, а также для подогрева поверхности, на которую наносится пленка, до заданной температуры. Применяется в микроэлектронике, в двигателестроении. Осуществляется в установках с поворотом электронного потока на 180…270^о и мощностью до 15 кВт.