В ИСЭ СО РАН создали прототип источника электронных пучков для обработки протяженных деталей

Группа ученых из Института сильноточной электроники СО РАН под руководством ведущего научного сотрудника доктора технических наук Григория Озура разработала макет источника радиально сходящихся низкоэнергетических сильноточных электронных пучков, применение которого открывает качественно новые возможности для модификации поверхности протяженных цилиндрических изделий из различных металлов и сплавов. Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ, проект № 22-29-00070.

– Три с половиной года назад мы придумали схему организации сильноточной электронной эмиссии без плазменного анода путем встраивания дуговых источников плазмы, инициируемых пробоем по поверхности диэлектрика, в сам взрывоэмиссионный катод. Далее нашей целью было исследовать свойства радиально сходящихся низкоэнергетических сильноточных электронных пучков и создать на их основе электронные пушки с достаточно невысокими для импульсной ускорительной техники напряжениями от 5 до 30 киловольт. В рамках выполненного гранта разработан прототип такой пушки, – рассказал руководитель проекта.

Как объясняет Григорий Евгеньевич, низкоэнергетические (10‒30 килоэлектронвольт) сильноточные (до 25 килоампер) электронные пучки (НСЭП) широко используются для модификации поверхностных слоев металлических материалов уже несколько десятков лет. Формирование таких пучков осуществляется, как правило, в пушках с плазменным анодом и взрывоэмиссионным катодом. Высокая плотность энергии (до 20 джоулей на квадратный сантиметр) и короткая длительность импульса (2-4 микросекунды) позволяют выделить значительную энергию пучка в тонком (доли-единицы микрометров) поверхностном слое, доводя его до плавления и даже частичного испарения. Эти эффекты позволяют развивать самые разнообразные перспективные технологии, включая формирование поверхностных сплавов толщиной от долей до десятков микрометров.

Проблема заключается в том, что созданные к настоящему времени электронные пушки источников НСЭП имеют планарно-аксиальную геометрию, т.е. воздействуют на плоскость прямолинейно, и могут обрабатывать поверхности протяженных изделий цилиндрической формы только при их вращении в паузе между сериями импульсов пучка. При этом, однако, имеют место термомеханические напряжения, возникающие при кристаллизации поверхностного слоя, что приводит к искривлению изделия, поскольку противоположная сторона изделия воздействию пучка в этот момент не подвергается. Избежать этого можно, используя радиально сходящиеся, подобно лепесткам цветка, пучки, когда модификация какого-либо изделия типа прута, стержня или трубы ведется одновременно со всех сторон.

К числу таких изделий относятся ТВЭЛы ядерных реакторов. Они изготавливаются преимущественно из циркониевых сплавов или легированных сталей, а для предотвращения коррозии и высокотемпературного окисления на них нужно сформировать защитные покрытия. Кроме того, такие установки могут быть востребованы, например, при производстве дорнов (разновидности штампового инструмента, напоминающего стержень), обработке поверхностей лопаток турбин, а также для изучения различных физических и термомеханических процессов.

В планах ученых продвинуться от прототипа пушки к комплексной установке для модификации поверхности протяженных изделий, сочетающей источник НСЭП и соответствующую магнетронную распылительную систему, смонтированных на общей вакуумной камере. Это позволит формировать поверхностные сплавы in situ в едином вакуумном цикле методом магнетронного нанесения покрытий и последующего вплавления их сильноточным электронным пучком.