[发明专利]一种实现小束斑高压脉冲电子束轰击的装置

说明书

技术领域

本发明是一种实现小束斑高压脉冲电子束轰击的装置，属于材料表面改性处理技术领域。 

背景技术

材料表面改性常用的载能束有激光束、离子束、电子束，激光束与材料表面相互作用时，能量转化效率低，一般在5%～10%，对钛合金材料进行表面改性，需要在良好的保护环境下进行；离子对材料的穿透能力远低于电子，材料表面改性层的性能决定于注入元素的性能，而且存在元素注入、难以形成大厚度改性层等问题。与激光、离子束表面改性技术相比，电子束与材料作用时，能量转化效率高达80%以上；在真空环境下工作，几乎不存在材料表面被污染的问题；并且电子束的可控性更好，耦合效率更高。 

常规电子束表面改性技术包括电子束表面强化技术、强流脉冲电子束轰击表面改性技术。电子束表面强化技术有电子束表面淬火、电子束表面熔凝、电子束表面合金化等技术，它是利用电子束功率密度(10⁶～10⁹W/cm²)大的特点，使金属表面材料迅速加热熔化，并借助于冷态基体迅速冷却，获得一般冷却速度下无法得到的化合物、过饱和固溶体、微晶，使得材料的硬度、耐腐蚀性、耐磨性等性能得到大幅度提高。该技术一般需要采用中压60kV或高压150kV电子束发生装置配合电子束偏转扫描技术来实现。该技术的局限性在于不易对电子束输入能量进行精确控制，材料热影响区大，工艺比较复杂，控制不当，易产生裂纹。 

强流脉冲电子束轰击表面改性技术通常是指采用加速电压30kV左右、脉宽2μs左右、电流密度1000A/cm²、输入能量大于2J/cm²、束斑直径在几十mm的大束斑电子束轰击材料表面的一种材料表面改性技术。采用大电流密度的电子束轰击材料表面，可使入射能量瞬间沉积到金属 表面的薄膜层内，形成温度梯度极高的热作用区，同时，后续电子束能量继续输入，使金属表层出现熔化、汽化及熔体喷发等物理现象，由于非均匀温度分布与金属蒸汽反作用力共同作用于金属材料表面，使得被电子束轰击区域的微观组织和应力分布状态发生显著变化，从而实现常规表面处理技术难以实现的表面改性效果。通常电子束的束斑通过聚焦获得，是一种圆形焦斑，电子束能量呈典型的高斯分布，束斑直径越大，则电子束轰击的边界效应越明显，需要采用特殊的均匀化电子束能量的技术，才能使束斑能量分布均匀。并且，大束斑轰击需要的电子束束流高达几百甚至上千A/cm²，这对于电源及电子枪的制造技术要求极其苛刻。 

近年来，为了实现减重增效，提高结构重量系数，新型飞机大量使用钛合金材料，而钛合金构件上的焊缝、孔等通常是承载较重，受力分布极不均匀的关键位置，通常需要后续强化处理工艺对焊缝、小孔边缘进行处理，以满足特殊条件的应用需求。 

采用常规电子束表面改性技术对钛合金构件的焊缝、小孔边缘进行表面改性处理，很难使被处理的钛合金构件达到理想的处理效果。 

发明内容

本发明正是为了弥补大束斑电子束轰击材料表面改性技术针对小孔边缘或复杂焊接构件焊缝表面强化处理方面的不足，设计提供了一种实现小束斑高压脉冲电子束轰击的装置，其目的是针对航空工业领域实际应用的需求，在不改变电子束能量密度的前提下，缩小电子束束斑，配合偏转扫描技术，实现对小孔边缘、筋条与蒙皮之间焊缝或加强框、梁焊缝的强化，与扫描频率同步，采用束斑搭接方式，实现对材料表面的大面积强化。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 

本发明技术方案提供了一种实现小束斑高压脉冲电子束轰击的装置，其特征在于：该装置包括大功率高压电源(1)、脉冲偏压电路(2)、灯丝加热电路(3)，分别产生的电压为-150kV、-2000V、12V，大功率高 压电源(1)通过电缆Ⅰ(21)与脉冲偏压电路(2)联接，偏压电路(2)通过高压电缆Ⅲ(33)联接栅极(42)，大功率高压电源(1)还通过电缆Ⅱ(22)与灯丝加热电路(3)联接，灯丝加热电路(3)通过高压电缆Ⅰ(31)、高压电缆Ⅱ(32)与灯丝(41)联接，加热灯丝(41)，时序控制电路(6)通过导线A(62)联接脉冲偏压电路(2)，时序控制电路(6)还通过导线B(61)联接偏转扫描电路(7)，偏转扫描电路(7)通过导线C(71)联接偏转线圈(45)，聚焦电路(8)通过导线D(81)联接聚焦线圈(44)；