專利名稱：基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及對(duì)金屬工件表面加工處理技術(shù)的改進(jìn)，具體指對(duì)金屬工件的表面利用大面積電子束進(jìn)行快速涂覆并合金化的裝置，主要用于工件表面的強(qiáng)化和鍍膜，屬于材料表面處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
材料表面技術(shù)是近年來(lái)研究比較熱門的領(lǐng)域，其中，表面合金化工藝是表面強(qiáng)化技術(shù)中最有前途的工藝方法。利用這種工藝可在一些表面性能差、價(jià)格便宜的基體金屬表面制出耐磨，耐蝕、耐高溫的表面合金，用于取代昂貴的整體合金，節(jié)約貴重金屬材料和戰(zhàn)略材料，使廉價(jià)合金獲得更廣泛的應(yīng)用，從而大幅度降低成本。另外，它還可用來(lái)制造出在性能上比傳統(tǒng)方法更優(yōu)的表面涂層，由于材料表面重熔引起晶界原子的迅速擴(kuò)散，從而讓表面的合金與齒輪基體很好的結(jié)合，齒輪表面電子束合金化處理獲得的金屬膜和金屬基體為一個(gè)整體，避免了類似于涂層的剝落，解決了一般涂覆薄膜材料的結(jié)合力不足問(wèn)題。這種 工藝可根據(jù)工件表面性能的要求，合理地選擇合金元素，從而在普通基材表面獲得特殊性能的合金層，這項(xiàng)工藝的優(yōu)點(diǎn)還表現(xiàn)在它的處理區(qū)域的高度局部性和合金粉末選擇的靈活性上。同時(shí)也可以在基體較輕的結(jié)構(gòu)材料表面制作表面性能較強(qiáng)的膜，既解決了工件設(shè)計(jì)的輕量化，同時(shí)也解決了高性能材料基體太脆韌性不夠的問(wèn)題。近十幾年來(lái)，利用脈沖高能密束(電子束、離子束、激光束)進(jìn)行金屬材料表面精整加工和改性得到了迅速發(fā)展。當(dāng)高能量密度的射束作用到材料表面時(shí)，大量的能量會(huì)在短時(shí)間里沉積在材料表面的薄層中，被加熱層的溫度迅速升高，導(dǎo)致局部熔化、汽化等現(xiàn)象。當(dāng)輸入能量結(jié)束時(shí)，工件表面會(huì)急速冷卻。經(jīng)過(guò)這幾個(gè)過(guò)程的綜合作用，材料表面層的性質(zhì)會(huì)發(fā)生明顯地變化。這樣就可以使材料表面具有用常規(guī)方法難以達(dá)到的物理、化學(xué)或力學(xué)性質(zhì)。利用電子束技術(shù)，使基體材料表面薄層與根據(jù)需要加入的合金元素同時(shí)快速熔化、混合，形成厚度為幾個(gè)um到I個(gè)mm的表面熔化層，熔化層由于常溫基體的作用快速冷卻下來(lái)，冷卻速度可達(dá)106°C / s 108°C / s，相當(dāng)于急冷淬火技術(shù)所能達(dá)到的冷卻速度，又由于熔化層液體內(nèi)存在著擴(kuò)散作用和表面張力效應(yīng)等物理現(xiàn)象，使材料表面僅在很短時(shí)間內(nèi)就形成了具有要求深度和化學(xué)成份的表面合金化層。使用電子束進(jìn)行加工，一般都是把電子束經(jīng)過(guò)聚焦變成很細(xì)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。與此相反，這里將要介紹的電子束照射裝置是能對(duì)大面積產(chǎn)生較均勻的高能量密度的電子束。國(guó)內(nèi)外材料表面合金化技術(shù)主要包括①利用激光進(jìn)行材料表面合金化。近幾年的研究，多集中在以激光作為高密度能源的表面合金化工藝方面。這種以激光為高密度能源的表面合金化技術(shù)，存在著以下問(wèn)題首先，現(xiàn)有的激光表面合金化研究，多采用單光束斑，由于束斑的能量密度分布不均勻，難以獲得表面平整的合金層；另外，由于激光寬帶掃描裝備尚未成熟，難以得到寬帶堿灰表面合金層，而且，激光器的能量轉(zhuǎn)換效率低，因此，激光表面合金化技術(shù)離實(shí)用化階段還很遙遠(yuǎn)。②利用電子束進(jìn)行表面合金化。在材料表面預(yù)涂覆合金元素，利用電子束能量瞬間沉積在材料次表層很小的區(qū)域內(nèi)，從而使材料極快速地升溫到相變溫度或熔化溫度以上，實(shí)現(xiàn)合金化的過(guò)程。傳統(tǒng)的電子束材料表面合金化需要在別的設(shè)備上預(yù)先涂覆合金層，而且其采用的圓形截面電子束加工，束斑重疊區(qū)域能量分布不均勻，材料表面應(yīng)力集中，力口工效率相對(duì)較低。因此，激光由于束斑的能量密度分布不均勻，能量轉(zhuǎn)換效率低，傳統(tǒng)的電子束材料表面合金化需要在別的設(shè)備上預(yù)先涂覆合金層，加工效率低。所以需要設(shè)計(jì)一種適合金屬零件的表面快速涂覆重熔方法及裝置。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種生產(chǎn)效率高、且表 面應(yīng)力分布均勻的基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔裝置。本實(shí)用新型解決技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)手段是這樣實(shí)現(xiàn)的基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔裝置，它包括真空室，在真空室外設(shè)有電子束源和擠壓頭，電子束源產(chǎn)生的電子束可進(jìn)入真空室內(nèi)，擠壓頭用于放置需要涂覆的合金元素并將合金元素?cái)D壓出來(lái)涂覆在工件上，擠壓頭的出口豎直向下位于真空室內(nèi)；在真空室內(nèi)設(shè)有工作臺(tái)和光闌，工作臺(tái)用于放置工件并受設(shè)于真空室外的工作臺(tái)控制系統(tǒng)控制而帶動(dòng)工件水平移動(dòng)；光闌位于電子束源正下方僅讓部分電子束選擇性通過(guò)以照射工件。所述真空室外設(shè)有真空系統(tǒng)，真空系統(tǒng)用于對(duì)真空室抽真空以達(dá)到需要的真空度。所述真空室壁上設(shè)有觀察真空室內(nèi)狀況的觀察視窗。相比現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)I、本實(shí)用新型可根據(jù)工件表面性能的要求，合理地選擇合金元素和合金粉末，合金可以是一種、也可以是多種、也可以是合金和潤(rùn)滑劑混合成自潤(rùn)滑合金膜。2、加工效率高。邊涂覆邊熔覆，合金涂覆和合金熔覆在同一裝置中完成。3、熔覆質(zhì)量均勻，易于控制，電子束照射裝置是采用的大面積高能量密度的電子束。4、熔覆層結(jié)合力強(qiáng)。材料表面重熔引起晶界原子的迅速擴(kuò)散，從而讓表面的合金與金屬基體很好的結(jié)合，基體表面電子束合金化處理獲得的金屬膜和金屬基體為一個(gè)整體，避免了類似于涂層的剝落，解決了一般涂覆薄膜材料的結(jié)合力不足問(wèn)題。

圖I一本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。其中，I-電子束源；2_擠壓頭；3_真空室；4-光闌；5-工件；6_工作臺(tái)控制系統(tǒng)；7-工作臺(tái)；8_真空系統(tǒng)；9-電子束；10-觀察視窗。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖I所示，本實(shí)用新型基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔裝置，它包括真空室3，在真空室3外上方設(shè)有電子束源I和擠壓頭2，電子束源I產(chǎn)生的電子束9可進(jìn)入真空室3內(nèi)，擠壓頭2用于放置需要涂覆的合金元素并將合金元素?cái)D壓出來(lái)涂覆在工件上，擠壓頭2的出口豎直向下位于真空室3內(nèi)。在真空室3內(nèi)設(shè)有工作臺(tái)7和光闌4，工作臺(tái)7用于放置工件并受設(shè)于真空室外的工作臺(tái)控制系統(tǒng)6控制而帶動(dòng)工件5水平移動(dòng)。光闌4位于電子束源I正下方僅讓部分電子束選擇性通過(guò)以照射工件，光闌4為鑰光闌。圖中，9是電子束，5是工件。所述真空室3外設(shè)有真空系統(tǒng)8，真空系統(tǒng)用于對(duì)真空室抽真空以達(dá)到需要的真 空度。所述真空室3壁上設(shè)有觀察真空室內(nèi)狀況的觀察視窗10。其中電子束源為大面積電子束源，可以采用俄羅斯的“Nadezhda-2”型強(qiáng)流脈沖電子束(HCPEB)裝置等同類現(xiàn)有設(shè)備，其固定在真空室頂上；鑰光闌固定在真空室內(nèi)壁上。本裝置使用方法和操作步驟如下I、首先，將合適尺寸的所需成份的合金粉末利用混合劑制成牙膏裝的制劑，封裝到擠壓頭2中，可以根據(jù)需要在里面混入固體潤(rùn)滑劑顆粒。2、將工件5放在工作臺(tái)7上，使其在電子束源I和擠壓頭2的下方；使用真空系統(tǒng)8將真空室3中的真空抽到符合加工要求的真空度；3、根據(jù)工件5的零件特征和加工要求，控制擠壓頭2擠出混料進(jìn)行工件表面涂覆，完成以后工作臺(tái)控制系統(tǒng)6控制工作臺(tái)7向前移動(dòng)，同時(shí)擠壓頭2擠出新的混料依次進(jìn)行工件5其余表面的涂覆。4、當(dāng)初始涂覆部分移動(dòng)到電子束源I正下方的時(shí)候，電子束源I即發(fā)出具有大面積特性的電子束9，經(jīng)過(guò)光闌4以后照射到涂覆層上面，進(jìn)行熔覆。由于工作臺(tái)一直在移動(dòng)，涂覆過(guò)程一直在進(jìn)行，熔覆過(guò)程也一直在進(jìn)行，即邊涂覆邊熔覆，直到結(jié)束為止。5、工件表面在電子束能量照射下局部熔化，經(jīng)過(guò)以上步驟擠壓頭涂覆和電子束熔覆后，涂覆層和金屬基體結(jié)合緊密，由于金屬表面迅速冷卻，從而獲得粗糙度低、表面應(yīng)力均勻、耐磨和耐腐蝕性能優(yōu)良的表面質(zhì)量，同時(shí)由于里面加有固體顆粒潤(rùn)滑劑，具有一定的自潤(rùn)滑性能。采用本實(shí)用新型具有精度高、操作自動(dòng)化程度高、加工周期短等優(yōu)點(diǎn)。最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔裝置，其特征在于它包括真空室(3)，在真空室(3)外設(shè)有電子束源(I)和擠壓頭(2)，電子束源(I)產(chǎn)生的電子束可進(jìn)入真空室(3 )內(nèi)，擠壓頭(2 )用于放置需要涂覆的合金元素并將合金元素?cái)D壓出來(lái)涂覆在工件上，擠壓頭(2)的出口豎直向下位于真空室(3)內(nèi)；在真空室(3)內(nèi)設(shè)有工作臺(tái)(7)和光闌(4)，工作臺(tái)用于放置工件并受設(shè)于真空室外的工作臺(tái)控制系統(tǒng)控制而帶動(dòng)工件水平移動(dòng)；光闌(4)位于電子束源(I)正下方僅讓部分電子束選擇性通過(guò)以照射工件。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔裝置，其特征在于所述真空室(3)外設(shè)有真空系統(tǒng)(8)，真空系統(tǒng)用于對(duì)真空室抽真空以達(dá)到需要的真空度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔裝置，其特征在于所述真空室(3)壁上設(shè)有觀察真空室內(nèi)狀況的觀察視窗(10 )。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔裝置，在真空室外設(shè)有電子束源和擠壓頭，擠壓頭用于放置需要涂覆的合金元素并將合金元素?cái)D壓出來(lái)涂覆在工件上；在真空室內(nèi)設(shè)有工作臺(tái)和光闌，工作臺(tái)用于放置工件并受設(shè)于真空室外的工作臺(tái)控制系統(tǒng)控制而帶動(dòng)工件水平移動(dòng)；光闌位于電子束源正下方僅讓部分電子束選擇性通過(guò)以照射工件。本實(shí)用新型加工效率高，合金涂覆和合金熔覆在同一工藝完成；熔覆質(zhì)量均勻，易于控制；熔覆層結(jié)合力強(qiáng)，避免了類似于涂層的剝落，解決了一般涂覆薄膜材料的結(jié)合力不足問(wèn)題。
文檔編號(hào)C23C26/00GK202558940SQ20122015971
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月16日
發(fā)明者胡建軍, 許洪斌, 金艷, 李暉, 陳元芳 申請(qǐng)人:重慶理工大學(xué)