環形束斑冷陰極電子槍的研制及其束流品質優化

桑興華 許海鷹 楊波

摘要：電子束熔絲增材制造技術適用于大中型金屬構件的高效整體化成形，針對目前用于熔絲增材制造的電子槍存在的諸多缺點，設計了一種環形束斑冷陰極電子槍，建立了三維模型，對束源關鍵部件結構尺寸進行模擬仿真，當陰極弧面半徑100 mm，陽極傾角40°時束流品質最優;根據模擬仿真結果加工制造了電子槍，經測試，其耐壓可達-22 kV，最大束流可達1 250 mA;選用直徑2 mm的TC4焊絲在加速電壓-20 kV、束流210 mA、工作臺移動速度310 mm/s、送絲速度30 mm/s下進行熔絲實驗，獲得了良好的表面成形質量。

關鍵詞：電子束熔絲增材制造;環形束斑;冷陰極電子槍;鈦合金

0? ? 前言

增材制造是一種通過逐層增加材料，直接參照CAD模型生成近凈成形結構的快速制造技術[1-6]，在航空航天、微納制造、生物醫學工程等領域應用前景廣闊[7]。電子束熔絲成形技術[8-10]具有成形速度快、材料利用率高和保護效果好等特點，適用于大中型金屬構件的高效整體化成形。電子束熔絲增材制造技術作為一類先進的增材制造技術得到了國內外研究者的廣泛關注。TAMINGER[11]等人開發了一套成形效率可達2 500 cm3/h的電子束熔絲增材制造裝備。WANG [12]等人研究了電子束束流對異種金屬熔絲的影響，指出其影響機制主要為熔深。Dmytro[13-14]等人開發了一種新型電子束熔絲增材制造裝置，提高了成形精度和效率。中國航空制造技術研究院高能束流發生器實驗室團隊[15-16]研究了用于多絲送進以及同軸送粉的電子束增材制造裝置。目前常用的電子束熔絲增材制造技術原理如圖1所示。

電子束增材制造用電子槍主要為熱陰極電子槍，包括直熱式和間熱式兩種，陰極一般采用鎢絲且壽命較短，直接影響到成形質量和加工效率。且由于電子槍固有的結構特點，其電子束流必須沿著軸心輸出，絲材只能從電子槍束流軸線旁側進給，這就需要精密復雜的對中裝置將絲材準確送到電子束流位置，加大了設備操作難度，且電子束照射在絲材上會在其背部形成“ 陰影區 ”，容易導致當增材制造成形方向指向“ 陰影區 ”時，成形件內部組織結構不均勻。文中設計了一種用于電子束熔絲增材制造的環形束斑冷陰極電子槍，具有陰極壽命長、功率大、質量輕、能在惡劣真空環境下長期穩定工作的優點;且結構簡單，不需要額外的電磁聚焦系統，僅依靠自身靜電場即可使電子束聚焦;絲材與電子束流同軸，無需復雜的對中裝置;熔絲成形過程中無陰影區，能顯著提高成形運動自由度，有效保障成形件內部組織的均勻性。

1 環形束斑冷陰極電子槍工作原理

環形束斑冷陰極電子槍的工作原理如圖2所示。環形陰極接零到幾十千伏負高壓，外殼接地充當陽極，在陰陽極之間通入工作氣體，該氣體被電離成等離子體，等離子體中的正離子在電場作用下轟擊陽極表面使陽極發射二次電子，這部分二次電子和等離子體中的電子兩部分共同組成最終的電子束，依靠陰-陽極自身結構形成的靜電場使電子匯聚，最終在匯聚點處熔化同軸送進的絲材。

2 環形束斑冷陰極電子槍結構設計

利用三維造型軟件設計的電子槍三維模型如圖3所示。電子槍直徑φ230 mm，高140 mm。

陰極為環形結構，電子發射面為弧形，保證電子能匯聚。陰極內部設計中空水冷通道，陰極中心環嵌套陶瓷絕緣環，起到與導絲機構絕緣的作用，陰極內部通水冷卻，延長陰極的使用壽命。由于電子槍陰極接-20 kV高壓，其余零部件接地，為實現絕緣，設計陶瓷絕緣柱，實現陰極和槍體外殼的絕緣。導絲機構與陰極同軸安裝，設計中空水冷結構保護絲嘴。絲嘴為導熱快的紫銅材料，由于其熔點低，在絲嘴外設計耐高溫材料的保護套。

3 電子槍束流品質優化關鍵參數模擬仿真

由于所設計的環形束斑冷陰極電子槍在工作過程中僅靠陰-陽極之間形成的靜電場來使電子束匯聚，故陰-陽極形貌幾何參數直接決定電子束最終焦點處的束流品質。采用模擬仿真軟件CST PARTICLE STUDIO對電子槍的陰極、陽極影響束流品質的關鍵尺寸進行模擬仿真。該軟件是求解電磁場和帶電粒子相互作用的仿真軟件，支持多種粒子發射模型，包括空間電荷限制發射、固定能量發射、場致發射、二次電子發射、溫度限制發射等;支持自定義材料、內置材料庫、PBA六面體網格;支持非線性鐵磁材料、各向同性和各向異性材料和導體;支持開放和電磁邊界條件，有用于互作用仿真和接力分段跟蹤的束流粒子狀態界面;支持加載粒子碰撞平均功率監視器、時變諧振電磁場、靜磁場以及外部靜電場，還可以仿真粒子碰撞時產生的溫度場變化;支持瞬態定格圖、粒子軌跡圖、相圖等狀態圖[17]。

模擬過程每次控制單一變量，只改變一個參數。建立等效三維模型并選取陰極半徑R、陽極角度α、兩個參數進行模擬，如圖4所示。

根據實際工作情況，設置邊界條件、網格劃分方法、電子發射方式、求解方程等，仿真軟件支持外部導入三維模型功能，將利用PRO/E軟件建立的1∶1三維模型導入仿真軟件中，定義邊界條件，y向磁場分量為0，由于在建立電子槍模型時未對其進行其他屏蔽，Xmin、Xmax、Zmin、Zmax的邊界條件均設為open狀態[18]。網格劃分采用CAD 設計中常用的自動網格劃分和手動對局部網格進行加密的方法，劃分形式FPBA。重點要加密部分為陰極、柵極和陽極附近的網格[19]。

對整個電子的產生及匯聚過程進行模擬仿真。得到電場分布如圖5所示，電子沿垂直等電位線的方向運動;在該電場作用下得到完整的束流軌跡如圖6所示。由圖6可知，電子從陰極產生，經陰-陽級之間的靜電場匯聚和陰-陽極之間加速電壓加速，在電子槍出口下方某一點匯聚成束斑最小、電子束流密度高度集中的點，即最終工作的焦點。

沿電子運動方向，電子束流密度在垂直于束流軸線方向的分布狀況如圖7所示，0點是陰極表面，為電子發射面，Y負方向為電子走向，由圖可知，電子在靜電場作用下匯聚成束，電子束電流密度增加，最大值在電子束的最終工作焦點處，經過焦點后，由于慣性及電子之間的斥力作用，電子束呈發散趨勢，電流密度逐漸減小。

3.1 陰極弧面半徑的仿真與優化

利用模擬仿真軟件優化圖4的陰極弧面半徑R，以確定能夠獲得最優束流品質的陰極弧面半徑。R的取值范圍如表1所示，每組試驗其余參數不變。

模擬后得到不同陰極弧面半徑下最終焦點處電子束流密度如圖8所示。由圖8可知，在85～120 mm范圍內，隨著陰極弧面半徑的增加，束流最終焦點處電流密度先增加后減小，約在100 mm處達到最大值，故最終設計陰極弧面半徑選取100 mm。

3.2 陽極傾角的仿真與優化

選取圖4所示的陽極（外殼）傾角α作為變量，利用模擬仿真軟件對不同陽極結構下電子束空間分布狀態進行模擬，每次模擬試驗控制單一變量，最終得到束流品質最優的陽極結構。陽極傾角α的取值如表2所示。

模擬所得不同陽極傾角的最終焦點處電子束流密度如圖9所示。在30°～60°范圍內，最終焦點處電子束流密度隨著陽極傾角的變化先增加后減小，在陽極傾角約為40°時達到最大，故選取40°為最終電子槍陽極的傾角設計尺寸。

根據模擬仿真結果，加工制造的環形束斑冷陰極電子槍實物如圖10所示。在中國航空制造技術研究院自主研制的CV2M真空室上集成電子槍與送絲系統組件熔絲試驗平臺如圖11所示。

4 環形束斑冷陰極電子槍性能測試

4.1 高壓加載試驗

當真空室、電子槍的真空度均達到設計要求后，對電子槍進行耐壓性能檢測試驗。在空載條件下逐漸加高壓，在0到-20 kV電壓段，每次加載5 kV停留10 min;在-20 kV以上，每增加1 kV，停留10 min，在每段電壓停留期間，電子槍不放電則表明電子槍耐壓能滿足要求，測試結果如表3所示。由表3可知，電子槍加載到-22 kV時，還能保持穩定，繼續增大時，電子槍出現放電，說明電子槍最大耐壓可達-22 kV。

4.2 束流試驗

加速電壓給定-20 kV，調節氣體流量計，通入氦氣，氣流量從零開始逐漸增大，電子槍產生束流如圖12所示，用示波器測量束流反饋信號Ub，根據式（8）計算出束流Ib，記錄數據如表4所示。

由表4可知，當氣流量為0.24 mL/min時，電子槍束流輸出達到1 250 mA。

4.3 熔絲試驗

采用直徑2 mm的TC4焊絲，加速電壓-20 kV，進行單層熔絲試驗。

（1）固定束流為100 mA，工作臺移動速度為300 mm/min，在不同的送絲速度下進行熔絲試驗，參數如表5所示。熔絲成形試樣如圖13所示，送絲速度為30 mm/s時，熔絲成形質量最好。

（2）固定束流100 mA，送絲速度30 mm/s，在不同的工作臺移動速度下進行熔絲試驗，參數如表6所示。熔絲成形試樣如圖14所示。可以看出，當工作臺移動速度為310 mm/s時，熔絲成形質量較好，當工作臺移動速度過快時，成形不連續;當工作臺移動速度過慢時，成形試樣熔絲成形軌跡過寬。

（3）固定工作臺移動速度310 mm/s，送絲速度30 mm/s，在不同的束流下進行熔絲試驗，參數如表7所示。

試驗所得熔絲成形試樣如圖15所示。當束流過小時，絲材未完全熔化，出現粘絲;當束流過大時，出現熔塌，成形不均勻;當束流約為260 mA時，熔絲成形質量較好。

5 結論

（1）采用模擬仿真方法優化影響環形冷陰極電子槍束流品質的關鍵參數，當陰極弧面半徑100 mm，陽極傾角40°時，束流品質最優。

（2）所研制的環形束斑冷陰極電子槍最大耐壓-22 kV，最大束流1 250 mA，功率達到27.5 kW。

（3）利用直徑2 mm的TC4焊絲進行單層單道熔絲試驗，當加速電壓-20 kV、束流260 mA、工作臺移動速度310 mm/s、送絲速度30 mm/s時，熔絲成形質量較好。

參考文獻：

Lore Thijs，Frederik Verhaeghe，Tom Craeghs，et al. A study of the microstructural evolution during selective laser melting of Ti-6Al-4V[J]. Acta Materialia，2010，58（9）：3303-3312.

Simonelli M，Tse Y Y，Tuck C. Effect of the build orientation on the mechanical properties and fracture modes of SLM Ti-6Al-4V[J]. Materials Science and Engineering：A，2014（616）：1-11.

Xue zhi Shi，Shu yuan Ma，Chang meng Liu，et al. Selective laser melting-wire arc additive manufacturing hybrid fabrication of Ti-6Al-4V alloy：Microstructure and mechanical properties[J]. Materials Science and Engineering：A，2017（684）：196-204.

Neng Li，Shuai Huang，Guodong Zhang，et al. Progress in additive manufacturing on new materials：A review[J]. Journal of Materials Science & Technology，2019，35（2）：242-269.

Sheng Cao，Qiaodan Hu，Aijun Huang，et al. Static coarsening behaviour of lamellar microstructure in selective laser melted Ti-6Al-4V[J]. Journal of Materials Science & Technology，2019，35（8）：1578-1586.

Tao Sun，Yan Liu，Shu-Jun Li，et al. Effect of HIP Treatment on Fatigue Notch Sensitivity of Ti-6Al-4V Alloy Fabricated by Electron Beam Melting[J]. Acta Metallurgica Sinica-English Letters，2019（32）：869-875.

陳國慶，樹西，張秉剛，等. 國內外電子束熔絲沉積增材制造技術發展現狀[J]. 焊接學報，2018，39（8）：123-128，134.

TAMINGER K M B，HAFLEY R A，DICUS D L. Solid freeform fabrication：aneabling technology for future space mis-sions[C]. Proceedings of 2002 International Conference on Metal Powder Deposition for RapidManufacturing. San Antonio：Metal Powder Industries Federation，2002.

王廷，王一帆，魏連峰，等. TC4 鈦合金低壓電子束熔絲沉積層組織與性能[J].焊接學報，2020，41（10）：54-59.

陳哲源，鎖紅波，李晉煒. 電子束熔絲沉積快速制造成型技術與組織特征[J]. 航天制造技術，2010（1）：36-39.

TAMINGER K M，HARFLEY R A. Electron beam freeform fabrication：A rapid metal deposition process[C].Society of Plastics Engineers. Proceedings of the 3rd Annual Automotive Composites Conference，Sep. 9-10，2003，NASA Technical Reports Server，2003.

WANG T，ZHANG Y，LI X，et al. Influence of beam current on microstructures and mechanical properties of electron beam welding-brazed aluminum-steel joints with an Al5Si filler wire[J]. Vacuum，2017（141）：281-287.

Dmytro Kovalchuk，Orest Ivasishin，Dmytro Savvakin.Microstructure and Properties of 3D Ti-6Al-4V Articles Produced with Advanced Co-axial Electron Beam & Wire Additive Manufacturing Technology[C]. The 14th World Conference on Titanium，MATEC Web of Conferences 321，03014，2020.

Dmytro Kovalchuk，Orest Ivasishin. Profile electron beam 3D metal printing[M]. Additive Manufacturing for the Aerospace Industry，2019：213-233.

許海鷹，左從進，黃志濤，等.一種實現梯度材料制備的電子束熔絲增材制造裝置及方法[P].中國：ZL201611184594.1，2016-12-20.

許海鷹，左從進.一種同軸送粉的電子槍裝置[P].中國：ZL201810235852.7，2018-03-21.

CST. CST 粒子工作室基礎入門：三維帶電粒子動力學仿真[Z]. 上海：上海軟波工程軟件有限公司，2006.

劉光輝，宋宜梅，劉海浪，等.基于CST 粒子工作室的熔煉電子槍發生系統的仿真[J]. 桂林電子科技大學學報，2016，36（2）：144-147.

桑興華，許海鷹，左從進，等.電子槍束源部件結構尺寸對束流品質影響的CST仿真[J]. 航空制造技術，2017，60（9）：60-64.