基于赝火花放电机制的高频微细脉冲电子束表面辐照式抛光技术

A new Pseudospark-based electron beam polishing method for the metal surface finish treatment is proposed in this work. The hollow cathode cavity configuration is applied to generate intense pulsed electron beams with extremely high current density and repetition rate. The polishing process by such intense electron beams is a pollutant-free surface finish method compared with the traditional mechanical and chemical polishing methods. Additionally, it is capable of achieving high efficiency and accuracy for the surface treatment, compared with the current large-area e-beam polishing method with relatively low repetition rates. Our work is focused on the fundamental mechanisms and time-resolved properties of the pseudospark-based electron beam generation, transportation, beam characteristics and superfast heating process over the metal surface, as well as the design and construction of the prototype e-beam polishing machining system. The objective of this work is to establish a new e-beam polishing method with higher processing efficiency and accuracy.

本项目提出利用基于赝火花放电机制产生的高频微细脉冲电子束实现金属抛光的方法，其核心可描述为：利用特殊的空腔放电结构-赝火花放电产生的高频微细脉冲电子束对金属模具表面进行辐照式抛光，利用该项技术来代替现有的精度差、污染大、效率低的机械或化学抛光技术，并克服目前国际上已有的低频极粗电子束抛光技术中辐照时间长、成本高、能耗高和可加工形状受限等方面的不足。本课题将深入开展赝火花放电高频微细脉冲电子束抛光法的基础研究、实验测量、加工机制探索和工艺技术研究。具体内容包括：（1）测量和分析赝火花放电微细脉冲电子束的时变和输运特性；（2）研究和建立抛光前后金属表面属性与电子束性能之间的相互作用和关联；（3）探索脉冲电子束中带电粒子的电磁流体行为对金属表层超快加热的机制；（4）实现微细脉冲电子束的扫描式金属抛光工艺。本项目旨在实现更高精度和效率的模具抛光方法，为电子束表面完整性改善技术提供新的研究思路。

电子束因其优越的性能在现代高能束技术中一直占有重要地位，被广泛应用于材料处理等领域。脉冲型电子束源的实质是时间尺度上的能量压缩以获得优于直流电子束的高功率密度，本课题研究的基于赝火花放电机制的高频脉冲电子束就是这样一种高功率密度的脉冲电子束。但该电子束特有的能量分布的不均匀性也对该技术的机理研究和技术应用提出了很多限制和挑战。本课题以赝火花电子束表面改性技术为主要研究目标，利用仿真和实验两方面手段进行了研究和探索。仿真方面，首先建立了基于蒙特卡罗粒子仿真方法的双高斯体热源模型，计算结果证实了电子束能量和密度分布的不均匀性是引起电子束在材料表层的特殊熔融层结构的决定性因素。通过与有限元仿真模型相结合，对电子束表面改性过程中的动态温度场进行了建模与分析，通过对加速电场、辐照时间、电子束辐照区重合率等外部工艺参数下的热影响层结构和表面形貌进行仿真计算，指导和加速后续实验的进程。.实验上本课题设计了一套完整的赝火花电子束表面改性实验平台，实现了赝火花放电电子束金属表层处理的原型实验，验证了基于赝火花放电的脉冲型电子束表面改性的可行性。脉冲型电子束对AISI1045钢样品的表面改性试验证实了这一方法由于极高的温度上升和冷却速率而产生了明显的表面晶粒细化，表面粗糙度下降的同时耐腐蚀性能得到了显著提高，并观察到由于电子束在辐照过程中对固定辐照区内极快的加热和冷却速度，避免了通常的奥氏体-马氏体转化过程，使得奥氏体能够在室温下稳定存在。而30CrMnSiA样件的表面辐照处理结果表明，10keV-100keV电子束能够在数秒时间内在样件表面形成数微米-100微米的热影响层，同时在表面辐照式处理过后，样件表层微硬度由低于250HV0.2提高到高于500HV0.2，表面粗糙度由处理前的450nm降至最优处理条件下的380nm，表面质量均有不同程度的提升。以上研究结果使该项技术有望实现对复杂金属零件表面进行快速、高效、可控的精细表面改性，并提供了新的研究思路和方法。