霍衛(wèi)杰，胡 靜，曹曉彤，趙萬(wàn)生

（ 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240 ）

電子束技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬表面改性領(lǐng)域，具有入射能量吸收效率高、熱變形小、可控性強(qiáng)、清潔無(wú)污染等特點(diǎn)[1-3]，高電流密度、高能量的脈沖電子束廣泛用于金屬及合金材料的表面處理[4-6]。 針對(duì)強(qiáng)流脈沖電子束表面改性的研究結(jié)果表明，電子束的電流及能量密度分布對(duì)材料的微觀特性及表面質(zhì)量具有很大的影響[7]。 為了提高材料表面質(zhì)量，采用控制加速電壓、輻照次數(shù)及輻照頻率等加工條件的方式來(lái)控制電子束[8-9]，并以此研究特定加工條件與材料表面質(zhì)量的關(guān)系。 但是已有的研究未對(duì)電子束本身的特性以及加工條件變化所引起的電子束參數(shù)變化情況進(jìn)行討論。

贗火花電子束具有高電流密度、 低發(fā)射度、自聚焦輸送[10]以及對(duì)系統(tǒng)真空度要求低的特點(diǎn)，在材料處理方面具有誘人的應(yīng)用前景[11]。 有學(xué)者將贗火花電子束應(yīng)用于金屬材料的表面改性，使材料表面的微結(jié)構(gòu)及理化性能得到一定程度的改善[12]，然而并未深入討論贗火花電子束本身的特性以及電子束的性能參數(shù)如峰值電流、脈沖時(shí)間等與材料表面性能指標(biāo)之間的關(guān)系。 為此，本文首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了贗火花放電過(guò)程中擊穿電壓、電容、輸送空間氣壓和傳輸距離等外界參數(shù)對(duì)贗火花放電及電子束電流的影響，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為電子束性能的控制提供參考；接著再進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，探究了電子束參數(shù)對(duì)材料表面硬度性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 光觸發(fā)多級(jí)贗火花電子束源

光觸發(fā)贗火花電子束源系統(tǒng)由氙氣閃光燈光觸發(fā)系統(tǒng)、5 間隙贗火花放電腔、高電壓供電系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成（圖1）。 5 間隙贗火花放電腔由空心陰極、5 個(gè)相互交替排列的中間電極及絕緣片、陽(yáng)極組成，并通過(guò)絕緣螺釘進(jìn)行緊固。 其中，中間電極的材料為黃銅，不僅導(dǎo)電性能優(yōu)良且相比于紫銅的電極損耗更少、電極孔在多次放電后變形?。恢虚g絕緣片的材料為有機(jī)玻璃，不僅能保證電極之間的絕緣，且相比于特氟龍材料具有更高的強(qiáng)度。 高電壓供電系統(tǒng)由直流高壓電源、20 MΩ 限流電阻、 高壓充電電容等構(gòu)成。 測(cè)量系統(tǒng)包括高壓探針、羅氏線(xiàn)圈電流傳感器、納秒級(jí)時(shí)間響應(yīng)的法拉第杯[13]及帶寬為1 GHz 的示波器等。

圖1 光觸發(fā)多間隙贗火花電子束源

贗火花放電的光觸發(fā)通過(guò)六硼化鑭材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。 將陰極電極背面粘接到六硼化鑭薄片上，氙氣閃光燈發(fā)出最小波長(zhǎng)可達(dá)255 nm 的光，并透過(guò)真空紫外法蘭照射在功函數(shù)為2.4～3.2 eV 的六硼化鑭[14-15]表面產(chǎn)生光電子，從而觸發(fā)贗火花放電。 氙氣閃光燈的控制模塊可外接控制信號(hào)，控制輸出的光強(qiáng)和頻率，從而對(duì)贗火花電子束產(chǎn)生的延時(shí)和頻率進(jìn)行控制。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

贗火花電子束測(cè)量及表面改性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由光觸發(fā)多級(jí)贗火花電子束源、真空艙、三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及其控制系統(tǒng)、電機(jī)水冷系統(tǒng)等組成（圖2）。真空艙內(nèi)安裝三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其中x 軸、y 軸由直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，z 軸由伺服電缸驅(qū)動(dòng)。 三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)工件的移動(dòng)，及電子束測(cè)量設(shè)備（法拉第杯）的對(duì)中和軸向移動(dòng)。 真空艙上的進(jìn)氣口通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)連接氣瓶，出氣口連接由機(jī)械泵、羅茨泵、分子泵組成的真空機(jī)組。 系統(tǒng)真空度由量程范圍不同的電阻規(guī)和電離規(guī)聯(lián)合測(cè)量。 真空艙上設(shè)有觀察窗、同軸電纜接口（電子束信號(hào)輸出）、高壓饋電口、水冷接口等。

直線(xiàn)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)基于Ethercat 的伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)， 而Ethercat 主站為裝有Twincat 控制程序的工控機(jī)。 通過(guò)Ethercat 總線(xiàn)的控制可提高控制效率和抗干擾能力。

圖2 贗火花電子束性能測(cè)量及表面改性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)，先后開(kāi)啟機(jī)械泵、羅茨泵、分子泵，將系統(tǒng)的真空度抽至10-3Pa； 抽真空半小時(shí)之后，關(guān)閉分子泵， 開(kāi)啟質(zhì)量流量計(jì)向真空系統(tǒng)通入氬氣，并持續(xù)一段時(shí)間； 隨后調(diào)整質(zhì)量流量計(jì)的進(jìn)氣量，維持到贗火花放電的氣壓后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

2.1 放電演化實(shí)驗(yàn)

贗火花電子束的產(chǎn)生與放電過(guò)程密切相關(guān)，而放電過(guò)程的演化則受氣壓的影響。 圖3 是不同氣壓下的贗火花放電電壓電流波形。 如圖3a 所示，當(dāng)氣壓較高時(shí)，氣體放電呈現(xiàn)輝光放電的空心陰極放電模式，此時(shí)放電擊穿時(shí)間為600～800 ns，峰值放電電流為-16.8 A， 隨著氣壓下降和加載電壓的升高，放電向贗火花放電過(guò)渡。 如圖3b 所示， 當(dāng)氣壓為2.1 Pa 時(shí)，放電持續(xù)時(shí)間縮小為400 ns，放電的電壓波形可區(qū)分為幾個(gè)放電階段，對(duì)應(yīng)的放電電流波形存在明顯的兩個(gè)峰值，其中空心陰極階段的峰值放電電流可達(dá)到-23.6 A， 主間隙擊穿放電峰值電流為-21.08 A。如圖3c 所示，隨著氣壓的進(jìn)一步降低，擊穿時(shí)間進(jìn)一步縮短為不到100 ns，放電電流急劇升高，電流電壓波形上均疊加較大的噪聲，此時(shí)的峰值放電電流已達(dá)到-414.3 A。 如圖3d 所示，進(jìn)一步增大加載電壓，放電擊穿時(shí)間已壓縮至幾十個(gè)納秒，放電電壓和電流波形呈現(xiàn)明顯的RC 諧振，此時(shí)的放電峰值電流已達(dá)到-3.3 kA。 由此可見(jiàn)，氣壓的變化會(huì)導(dǎo)致放電模式的顯著變化，而與輝光放電相比，贗火花放電極大地提高了放電電流，縮短了放電擊穿的時(shí)間。

控制氣壓范圍，維持圖3d 所示的放電狀態(tài)時(shí)，贗火花的擊穿電壓可達(dá)到10 kV 及以上，陽(yáng)極孔產(chǎn)生的電子束能量最高可超過(guò)10 keV, 本文進(jìn)一步研究該實(shí)驗(yàn)條件下外界因素對(duì)電子束電流的影響。

2.2 電子束測(cè)量實(shí)驗(yàn)

贗火花放電產(chǎn)生的電子束根據(jù)時(shí)間先后及能量分布特點(diǎn)可分為兩部分：一部分產(chǎn)生于空心陰極放電階段，電子能量接近初始的加載電壓，但電子束電流?。?另一部分產(chǎn)生于大電流主放電階段，電子能量為幾百電子伏特， 電子束電流可達(dá)幾千安培。 隨著氣壓的降低和擊穿電壓的增加，總的放電擊穿時(shí)間壓縮為幾十納秒，兩部分電子束波形逐漸合二為一。 利用阻值為1.73 Ω、納秒級(jí)時(shí)間響應(yīng)的法拉第杯對(duì)電子束信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。 圖4 是擊穿電壓為25 kV、氣壓為1.4 Pa 時(shí)，贗火花放電的電壓、電流和距離陽(yáng)極出口144 mm 處對(duì)應(yīng)的電子束波形圖。 可見(jiàn)，擊穿電壓為25 kV 時(shí)的放電電流峰值可達(dá)-3.2 kA，放電擊穿在35.7 ns 內(nèi)發(fā)生。由于電子束的自聚焦輸送，放電產(chǎn)生的電子束波形的主峰半高寬為37.7 ns，在氬氣氛圍中傳播一定距離后，峰值電子束電流達(dá)到-1.49 A。

圖3 不同氣壓范圍內(nèi)的放電波形

2.2.1 電壓對(duì)電子束電流的影響

本實(shí)驗(yàn)研究了擊穿電壓對(duì)電子束電流的影響。圖5 是充電電容為8000 pF、 電子束輸送空間氣壓為1.7 Pa 的條件下測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 可見(jiàn)，當(dāng)擊穿電壓由14 kV 增至22 kV 時(shí)，對(duì)應(yīng)的電子束電流幅值從1.23 A 增至3.2 A，增加了2.6 倍，而電子束波形的半高寬由51.9 ns 增至61.9 ns。 隨著擊穿電壓的增加， 電子束的脈寬及峰值電子束電流也增加，即提高擊穿電壓有利于電子束的產(chǎn)生及輸送。 這是由于擊穿電壓越高，放電能量越大，一方面有更多電子在放電中產(chǎn)生，另一方面電子束的自聚焦輸送增強(qiáng)，輸送效率提高[16]。

圖4 放電電壓、電流和產(chǎn)生電子束波形

圖5 電壓對(duì)電子束電流的影響

2.2.2 電容對(duì)電子束電流影響

實(shí)驗(yàn)研究了不同電容對(duì)放電電子束電流的影響。 圖6a 是擊穿電壓20 kV、氣壓1.7 Pa 及充電電容值分別為 2000、6000、8000、10 000 pF 時(shí)由法拉第杯測(cè)得的電子束波形。 當(dāng)充電電容值由2000 pF增至10 000 pF 時(shí), 電子束電流幅值由0.52 A 增至1.64 A，增加了3.15 倍；電子束電流波形的半高寬由42.8 ns 增至62 ns，增加了1.44 倍。因此，隨著充電電容值的增加，電子束電流值及脈寬持續(xù)時(shí)間均會(huì)增加。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究不同放電電壓條件下充電電容對(duì)電子束電流幅值的影響。 如圖6b 所示，在實(shí)驗(yàn)測(cè)量的放電電壓范圍內(nèi)，增加充電電容均可提高電子束電流幅值，這是由于相同電壓下，電容存儲(chǔ)的電荷量與電容值成正比，即電容值越大，充電過(guò)程中存儲(chǔ)的電荷量越多,電容儲(chǔ)能越大，越有利于電子束的產(chǎn)生。

圖6b 進(jìn)一步說(shuō)明，隨著擊穿電壓的增加，電容對(duì)電子束電流幅值的影響增加。 當(dāng)充電電容值從2000 pF 增至 10 000 pF 時(shí)， 如擊穿電壓為 14 kV，電子束電流幅值從0.38 A 增至0.92 A，增加了2.42倍；如果擊穿電壓達(dá)到22 kV 時(shí)，電子束電流幅值從 0.56 A 增至 2.21 A，增加了 3.94 倍。 因此，同時(shí)提高充電電容和放電電壓，均有利于電子束產(chǎn)生。

圖6 氣壓為1.7 Pa 時(shí)電容對(duì)電子束電流的影響

2.2.3 氣壓對(duì)電子束電流影響

實(shí)驗(yàn)還研究了氣壓對(duì)電子束電流的影響。 當(dāng)擊穿電壓為20 kV、充電電容為8000 pF、電子束輸送空間氣壓分別為 0.9、1.2、1.7 Pa 時(shí)， 由法拉第杯測(cè)量得到的電子束波形見(jiàn)圖7a。 可見(jiàn)， 當(dāng)氣壓值由0.9 Pa 增至1.7 Pa 時(shí), 電子束電流幅值由0.37 A 增加到1.1 A，增加了2.97 倍；電子束電流波形的半高寬由45.5 ns 增至62 ns，增加了1.36 倍。因此，隨著電子束輸送空間氣壓的增加，電子束電流的大小及持續(xù)的脈寬均會(huì)增加。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了不同放電電壓下，氣壓對(duì)電子束電流幅值的影響。 如圖7b 所示，在實(shí)驗(yàn)所測(cè)放電電壓范圍內(nèi)， 增加氣壓均可提高電子束峰值電流。 空心陰極放電階段產(chǎn)生的高能電子束會(huì)電離周?chē)臍怏w，并產(chǎn)生二次電子和離子，隨著放電的進(jìn)行， 在電子束負(fù)電勢(shì)作用下二次電子徑向移動(dòng)，質(zhì)量更大的離子則相對(duì)靜止而形成離子通道，從而使電子束實(shí)現(xiàn)了自聚焦輸送。 在一定的氣壓范圍內(nèi)，氣壓越高，高能電子經(jīng)歷的碰撞電離越多，從而形成離子密度更高的離子通道，有利于電子束自聚焦輸送，提高了傳輸效率。 因此氣壓越高，電子束的輸送效率越高，可獲得更大的電子束電流。

圖7b 進(jìn)一步說(shuō)明，隨著氣壓的增加，電壓對(duì)電子束峰值電流的影響會(huì)減小。 當(dāng)擊穿電壓從14 kV增至22 kV 時(shí)，如果氣壓為0.7 Pa 時(shí)，電子束電流幅值從0.22 A 增至 0.62 A，增加了 2.8 倍；如果氣壓達(dá)到1.7 Pa 時(shí)， 電子束電流幅值從0.74 A 增至1.59 A，增加了2.14 倍。 因此，提高輸送空間的氣壓有利于電子束的輸送。

圖7 電容為8000 pF 時(shí)氣壓對(duì)電子束電流的影響

2.2.4 傳輸距離對(duì)電子束電流影響

實(shí)驗(yàn)研究了電子束傳輸距離對(duì)電子束電流的影響。 圖8a 是擊穿電壓25 kV、氣壓1.7 Pa 條件下分別于距離陽(yáng)極電子束射出口144、164 mm 處測(cè)得的電子束波形。 由圖8a 可知，在距離陽(yáng)極電子束射出口144 mm 處， 電子束波形的峰值電流和半高寬分別為-2.53 A 和59.6 ns； 在距離陽(yáng)極電子束射出口164 mm 處， 電子束波形的峰值電流和半高寬分別為-1.30 A 和50.9 ns，即隨著傳輸距離的增加，電子束電流幅值和脈寬均會(huì)減小。

實(shí)驗(yàn)還研究了不同擊穿電壓下傳播距離對(duì)電子束電流幅值的影響。 如圖8b 所示，隨著傳輸距離增加， 不同擊穿電壓下電子束電流幅值均會(huì)減小；隨著擊穿電壓的增加， 電子束電流減小得更加明顯。 當(dāng)擊穿電壓為12 kV 時(shí)，在距離陽(yáng)極電子束射出口144 mm 處所測(cè)電子束電流幅值為0.25 A，在距離陽(yáng)極電子束射出口164 mm 處所測(cè)電子束電流幅值為0.18 A，減小了28%；當(dāng)擊穿電壓增至25 kV時(shí)， 于距離陽(yáng)極電子束射出口144 mm 處測(cè)得的電子束電流幅值為1.46 A，于距離陽(yáng)極電子束射出口164 mm 處測(cè)得的電子束電流幅值為0.7 A，減小了52.1%。 因此，傳輸距離對(duì)電子束電流影響較大，距離越遠(yuǎn)電子束損耗越大。

圖8 傳輸距離對(duì)電子束電流影響

2.3 電子束材料表面改性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)研究了不同擊穿電壓下，贗火花電子束照射鋁材料表面的改性效果。 如圖9a 所示，將原始鋁材料圖像放大400 倍后可見(jiàn)其表面有一定劃痕，硬度測(cè)量結(jié)果顯示其維氏顯微硬度為63.1HV0.05。 當(dāng)擊穿電壓為18 kV 時(shí)，鋁材表面會(huì)出現(xiàn)熔融后凝固的痕跡， 此時(shí)材料的表面硬度可達(dá)維氏顯微硬度76.8HV0.05；增加電壓至21 kV，由于電子加速能量增加，所轉(zhuǎn)化的熱能增加，熔融凝固后顆粒的尺寸增大， 此時(shí)材料的表面硬度為維氏硬度81.7HV0.05；進(jìn)一步增加擊穿電壓至25 kV，鋁材表面熔融凝固部分尺寸已經(jīng)和壓痕相當(dāng), 此時(shí)材料表面硬度已達(dá)到維氏硬度85.09 HV0.05。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著擊穿電壓的增加，材料的表面硬度增大，但表面粗糙度值會(huì)相應(yīng)增加。 根據(jù)實(shí)測(cè)的電壓和電子束波形可得到工藝參數(shù)。 電子束參數(shù)和鋁材表面硬度相對(duì)應(yīng)的情況見(jiàn)表1。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了擊穿電壓、電容、輸送空間氣壓和傳輸距離等外界工藝參數(shù)對(duì)贗火花電子束電流的影響，定量討論了工藝參數(shù)變化引起的電子束電流波形參數(shù)的變化。 研究結(jié)果表明：增大擊穿電壓、增加電容、提高氣壓均有利于電子束的產(chǎn)生及輸送；隨著傳輸距離的增加，電子束電流會(huì)很快地衰減。 最后還進(jìn)行了贗火花電子束的表面改性實(shí)驗(yàn)，建立了工藝參數(shù)、電子束電流參數(shù)與材料表面硬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且進(jìn)一步研究時(shí)將電子束抽象為熱源模型，建立了與材料表面理化性能改變的內(nèi)在關(guān)系。 本文的研究成果可用于指導(dǎo)電子束材料表面改性的工藝研究。

表1 工藝參數(shù)-電子束參數(shù)-表面性能結(jié)果表

圖9 贗火花電子束輻照6061 鋁材表面硬度測(cè)試實(shí)驗(yàn)