強(qiáng)流脈沖電子束表面改性過程中熔化層尺寸是改性效果的衡量指標(biāo)之一。針對(duì)改性中不同束流情況引發(fā)的溫度場(chǎng)和融化層情況進(jìn)行了仿真研究。通過對(duì)溫度場(chǎng)變化等結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)僅增加輻照次數(shù)不能有效增加熔化層尺寸。在總功率、輻照時(shí)間等不變的情況下可以對(duì)束斑的電流分布進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)熔化層控制。對(duì)束斑直徑聚焦的仿真顯示束斑尺寸對(duì)熔化層熔深熔寬均有較大影響，熔深隨著束斑增大有減小趨勢(shì)，熔寬則在一定束斑直徑下有最大值。同時(shí)發(fā)現(xiàn)優(yōu)化電子束電流分布是獲得特定熔池尺寸的有效方法。

　　近年來(lái)，強(qiáng)流脈沖電子束(high current pulsed electron beam，HCPEB) 作為一種高能密度熱源被廣泛用于材料的表面處理。該技術(shù)通過強(qiáng)電流，短脈沖時(shí)間的電子束輻照作用于材料表面，發(fā)生快速加熱和冷卻，引起微米量級(jí)的表層熔化甚至汽化，形成一層致密熔化層。同時(shí)加熱冷卻過程引發(fā)的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)引起材料表層變形，從而起到特殊的表面改性作用。HCPEB 改性的本質(zhì)是電子束輻照基體產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱力耦合，因此可以通過合理的熱力場(chǎng)模擬來(lái)研究這種特殊改性的效果。Markov 等首先建立了強(qiáng)流脈沖電子束轟擊在金屬材料內(nèi)引發(fā)的溫度場(chǎng)物理模型；Proskurovsky 等進(jìn)行了詳細(xì)的仿真計(jì)算，給出了材料表層溫度變化過程及應(yīng)力狀態(tài)；大連理工大學(xué)的秦穎等進(jìn)行了大量系統(tǒng)的研究，對(duì)改性表面熔坑形成機(jī)理、改性沖擊應(yīng)力等情況進(jìn)行了細(xì)致的仿真分析。

　　使用強(qiáng)流脈沖電子束進(jìn)行表面處理時(shí)，材料表面熔化層的厚度是控制指標(biāo)之一。有時(shí)在控制熔化層寬度的同時(shí)，需要獲得較大的熔化深度。但在設(shè)備性能受限的情況下，電子束總能量很難提升。在這種情況下，需要對(duì)其他技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。受處理?xiàng)l件限制，加熱熔化過程難以實(shí)時(shí)觀測(cè)和調(diào)整。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為為了解整個(gè)控制過程詳情，本文以純鋁為例，采用數(shù)值模擬的方式仿真材料加熱冷卻動(dòng)力學(xué)，分析增加輻照次數(shù)，改變束流分布情況等對(duì)熔化尺寸的影響，為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的參考。

1、計(jì)算模型

　　電子束與材料的相互作用主要是熱傳導(dǎo)，電子束表面加工過程可以用內(nèi)熱源熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行描述。假設(shè)材料性質(zhì)均勻，各向同性。三維柱坐標(biāo)下，電子束能量分布關(guān)于軸心對(duì)稱，如圖1所示，因此可將溫度場(chǎng)簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型。

圖1 強(qiáng)流脈沖電子束表面改性模型示意圖

　　本文采用有限差分法進(jìn)行二維對(duì)稱溫度場(chǎng)模擬。熱傳導(dǎo)方程可以描述為

　　其中，T 為工件溫度，T0 為環(huán)境溫度，ρ、c、κ分別為材料的密度，比熱和熱傳導(dǎo)系數(shù)，且c，κ為溫度的函數(shù)，L、R 分別為柱體材料的厚度和半徑，z 、r 為柱坐標(biāo)參量，W 為電子束輻照過程中，單位體積材料在單位時(shí)間內(nèi)吸收的能量，Lm 為相變潛熱項(xiàng)。

　　強(qiáng)流電子束經(jīng)過長(zhǎng)距離傳輸后，橫截面電流密度分布通常滿足高斯分布，如圖2a 所示，不同束斑直徑下的分布形式認(rèn)為基本一致。電子束在材料中有一定的射程，由電子束能量和靶材密度決定。根據(jù)資料，電子束射程的三分之一處有極大值，即電子束能量在材料亞表層有最大沉積分布。單位體積的能量吸收隨著樣品深度的分布用經(jīng)驗(yàn)公式(5)進(jìn)行擬合，形式如圖2b。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為計(jì)算時(shí)忽略固態(tài)相變對(duì)溫度的影響，熔化潛熱用溫度補(bǔ)償法處理。

圖2 電子束能量分布情況

　　本文采用交替隱式差分法對(duì)方程(1)進(jìn)行求解，對(duì)不同束斑直徑，不同能量分布形式，能量密度4J/cm²，電子束加速電壓27kV，脈寬0.8μs 的電子束對(duì)純鋁平板表面進(jìn)行輻照過程的仿真。

2、結(jié)論

　　通過對(duì)幾種可能的控制手段進(jìn)行仿真模擬，獲得如下結(jié)果：

　　a、通過增加輻照次數(shù)不能有效增加熔深或改善熔化層形態(tài)。

　　b、通過聚焦或其他手段在一定范圍內(nèi)改變電子束束斑直徑能夠?qū)崿F(xiàn)熔化層尺寸的控制。但是應(yīng)該對(duì)電子束束斑進(jìn)行謹(jǐn)慎選擇。對(duì)不同直徑尺寸的工件，需要選擇既滿足熔化寬度，又盡可能達(dá)到最大熔深的束斑尺寸。

　　c、改變束斑電流密度分布是一種控制熔化層尺寸的有效方法，可獲得特定尺寸的均勻改性層。