真空環境下超硬金屬電子槍熔融成形技術研究*

□ 王 磊

淮南聯合大學 智能制造學院 安徽淮南 232038

1 研究背景

在真空環境下,金屬材料澆鑄成形可以保護金屬中的活性物質,使金屬材料在熔化、澆鑄、燒結等過程中不被氧化,同時可以避免加入的某些少量元素在高溫中被除去，有害氣體雜質等滲入,進而有效提高成形材料的質量。

筆者對真空環境下超硬金屬電子槍熔融成形技術進行研究，論證在真空環境下適宜制造復雜結構薄壁精密鈦合金鑄件。電子槍熔融成形過程中溫度可控,熔池可以長時間保溫,能夠提高過熱度,有利于復雜結構薄壁精密件的型腔充滿,這是普通環境下澆鑄無法做到的[1]。

2 電子槍熔融成形真空裝置

電子槍熔融金屬成形真空裝置如圖1所示，兩個前置泵分別為擴散泵和滑閥泵的前置機械泵，在真空室中設置有金屬顆粒熔融澆鑄裝置及其夾具等。

滑閥泵在前置泵的預置壓力下，使真空室獲得真空度接近于1 Pa的真空環境。啟動擴散泵及其前置泵,經過一段時間對真空室進行空氣顆粒吸附排除,可以獲得真空度為0.1 Pa的真空環境。電子槍組件發射電子束,將固定在夾具上的金屬顆粒熔融澆鑄裝置內的ZTiMo32鈦合金顆粒鑄件熔融并充滿型腔[2]。電子槍發射高能密度電子束流的原理如圖2所示。

▲圖1 電子槍熔融金屬成形真空裝置

燈絲通電加熱后在表面產生大量熱電子,在陽極線圈和陰極線圈之間的高壓電場作用下,熱電子加速向陽極線圈方向高速移動,獲得動能。熱電子移動速度的快速取決于加速電壓的高低[3]。在聚焦線圈的作用下，電子束流聚焦。在陰極線圈的作用下，電子束流發生偏轉?？梢酝ㄟ^調整陰極線圈的強度來調整電子束流聚焦在熔融澆鑄裝置內顆粒材料表面的位置[4]。

▲圖2 電子槍發射高能密度電子束流原理

金屬顆粒熔融澆鑄裝置電子槍發射陰極,根據以往實踐經驗,電子槍發射陰極的電流密度J可以取為50 mA/cm2。熔融澆鑄裝置的面積為S1,電流為I1，則功率W1為:

W1=JS1U1

(1)

式中：U1為電子槍工作電壓。

電子槍電源最大功率W2為：

W2=I1U1 max

(2)

式中：U1 max為電子槍最高電壓。

熔融澆鑄裝置的功率密度P為：

P=W1/S1

(3)

電子槍的工作電壓通常是幾十至幾百千伏,為防止高壓擊穿、束流散射及能量減損,真空室真空度必須保持在0.1 Pa級別[5-7]。

3 金屬顆粒熔融澆鑄裝置

鈦合金材料生產成本高,機械加工、鍛造、焊接等比較困難,特別是對于結構復雜的薄壁構件而言。采用精密鑄造技術，可以提高鈦合金材料的利用率,降低生產成本。筆者在真空環境下采用金屬顆粒熔融澆鑄裝置熔融鈦合金材料，持續澆鑄被加熱型腔使其成形的工藝,可以獲得復雜結構薄壁精密鈦合金鑄件[8]。

提高澆鑄溫度能夠改善金屬的流動性。澆鑄溫度越高,金屬保持液態的時間越長,黏度越小,流動性越好[9]?？梢?，適當提高澆鑄溫度是改善液態金屬流動性的工藝措施之一。另一方面，鑄型材料的導熱性、鑄型內腔的形狀和尺寸等因素對液態金屬的流動性與充型能力都有影響[10]。

金屬顆粒熔融澆鑄裝置如圖3所示。

▲圖3 金屬顆粒熔融澆鑄裝置

金屬顆粒放置在坩堝內,只有被電子槍電子束流充分熔融的金屬顆?？梢越浐Y網和澆鑄通道流入型腔。型腔是由型芯和模具外殼構成的形狀比較復雜的薄壁空間。

模具外圍布置加熱管,充分保持澆鑄過程型腔的溫度,有利于提高液態鈦合金的充型能力。

4 優選參數

采用平均直徑約為2.8 mm的顆粒狀ZTiMo32鈦合金材料[11]，借助電子槍熔融成形真空裝置對顆粒狀ZTiMo32鈦合金材料進行熔融澆鑄試驗，獲得的兩組優選參數見表1。型腔薄壁厚度為3 mm,跨度尺寸為120 mm。

表1 電子槍熔融成形優選參數

5 結束語

筆者通過對平均直徑約為2.8 mm的ZTiMo32鈦合金顆粒進行真空環境下超硬金屬電子槍熔融成形技術研究,確認了通過超硬金屬顆粒在真空環境下熔融充型,可以實現薄壁零件的鑄型工藝。在真空環境下獲得精密薄壁零件外形尺寸,對真空度的要求比較嚴苛,型腔的預熱溫度和保持溫度對熔融金屬顆粒充型能力起到重要作用。

通過合理設計型腔尺寸余量,在真空環境下對超硬金屬進行熔融成形,可以獲得滿足工藝要求的復雜結構薄壁精密件。