李新凱，王榮，魏德強(qiáng)，董玉健，黃宇燕

立方晶格金屬掃描電子束拋光處理下表面建模與試驗(yàn)研究

李新凱a,b，王榮a，魏德強(qiáng)a，董玉健a，黃宇燕a

（桂林電子科技大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院 b.機(jī)電綜合工程訓(xùn)練國(guó)家級(jí) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，廣西 桂林 541004）

探究掃描電子束作用下立方晶格金屬表面凸起的溫度隨掃描時(shí)間的變化規(guī)律。以銑削加工后的立方晶格金屬試樣為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬的方法剖析表面凸起形狀和一維熱傳導(dǎo)模型，采用理論和拋光試驗(yàn)相結(jié)合的方法分析電子束能量密度、電子束作用時(shí)間與溫度之間的函數(shù)關(guān)系，并通過(guò)仿真軟件建立不同材料屬性、凸起形狀影響下的溫升曲線。銑削表面的凸起形狀可簡(jiǎn)化為圓錐形、半橢圓形和半球形，表面凸起的溫度受到電子束能量密度、電子束作用時(shí)間以及起伏形貌參數(shù)比三個(gè)因素影響。凸起溫升速率與材料導(dǎo)熱性能正相關(guān)，當(dāng)起伏的溫度高于熔點(diǎn)200 K時(shí)，45鋼與AZ91D鎂合金的表面粗糙度均有所降低。起伏形狀的溫升速率與形狀比正相關(guān)，且圓錐形凸起經(jīng)三角函數(shù)擬合后的起伏溫升曲線和形狀比數(shù)值相似度較高。掃描電子束拋光處理立方晶格金屬表面時(shí)，通過(guò)建立凸起的溫度變化曲線，可指導(dǎo)電子束工藝參數(shù)選取，預(yù)測(cè)表面形貌變化。

立方晶格金屬；掃描電子束；拋光；起伏；能量密度；凸起；粗糙度

中國(guó)的“國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要”、美國(guó)聯(lián)邦政府的“先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃”、歐盟的“第七框架計(jì)劃”以及“地平線2020計(jì)劃”均將高精度高性能自由表面制造和微納制造列為優(yōu)先發(fā)展和重點(diǎn)支持領(lǐng)域。電子束微熔拋光技術(shù)因具有高集成化、高效率以及高精度的優(yōu)勢(shì)，成為具有多基本面形態(tài)的金屬材料表面微納無(wú)去除拋光的新研究熱點(diǎn)[1-2]。

自日本Okyama大學(xué)A. Okada教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合三菱電機(jī)公司以及永田精機(jī)公司開(kāi)發(fā)出電子束拋光設(shè)備后，為電子束拋光技術(shù)的科學(xué)研究提供了強(qiáng)有力的工具，為材料表面微納拋光的發(fā)展打開(kāi)一扇新的大門。電子束微熔拋光效果受電子束功率密度影響顯著，并且過(guò)熔表面易出現(xiàn)火山坑和相裂紋。A. Okada教授[3-4]使用磨削處理和淬火之后的SKD11試樣進(jìn)行電子束拋光對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩組試樣的粗糙度基本相同，說(shuō)明表面硬化對(duì)SKD11材料的電子束拋光效果無(wú)影響。后期采用電子束大面積輻照方法對(duì)NAK80材料進(jìn)行拋光，發(fā)現(xiàn)原始粗糙度值越小，拋光之后的粗糙度也越小。同樣，胡建軍教授[5-7]采用40Cr進(jìn)行電子束拋光試驗(yàn)，粗糙度為0.086 μm的試樣經(jīng)拋光后，粗糙度反增加至0.294 μm，說(shuō)明原始粗糙度對(duì)電子束拋光效果影響較大，并且該技術(shù)對(duì)一些金屬材料的拋光能力有限。王榮團(tuán)隊(duì)[8-9]針對(duì)模具鋼電子束拋光處理開(kāi)展了深入研究，發(fā)現(xiàn)電子束工藝參數(shù)以及試樣傾斜角度均對(duì)拋光效果有顯著影響。

綜上所述，電子束拋光試驗(yàn)多是通過(guò)改變電子束工藝參數(shù)或材料進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)選取相對(duì)經(jīng)驗(yàn)化，微熔拋光過(guò)程中，電子束功率密度與拋光表面熱作用的理論研究相對(duì)較少。本文以銑削平面為例，探究銑削形貌表面微凸起特性，通過(guò)對(duì)熱傳導(dǎo)過(guò)程的分析、計(jì)算、建模，分析立方晶格金屬表面形貌與電子束作用下溫度之間的內(nèi)在聯(lián)系。

1 電子束拋光機(jī)理

電子束表面微熔拋光屬于熱拋光，其原理是利用高能電子束掃描金屬材料表面，電子束動(dòng)能在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為加熱金屬的熱能，產(chǎn)生熔化和蒸發(fā)現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)材料表面的“自拋光”效果。拋光過(guò)程存在兩個(gè)不同的作用機(jī)理：一是SSM（Surface Shallow Melting，表面微熔）機(jī)理，二是SOM（Surface Over Melting，表面過(guò)熔）機(jī)理[10]。

機(jī)加工處理后的金屬表面大多存在規(guī)律性微米級(jí)起伏、凹坑等，高能電子束作用于表面時(shí)，當(dāng)電子束功率密度達(dá)到閾值，表面微凸起部分（以下簡(jiǎn)稱凸起）達(dá)到熔點(diǎn)溫度而快速熔融，金屬表面只有凸起部分熔化，則熔融金屬在重力和表面張力復(fù)合作用下，流向曲率低（即曲率半徑大）的地方，直至表面曲率趨于一致，同時(shí)，液固界面以每秒數(shù)米的速度凝固，最終形成光滑平面。SSM機(jī)理下的電子束微熔拋光，電子束能量密度較小而加工速度極快，作用機(jī)理如圖1所示。若電子束拋光過(guò)程能量密度較大或拋光速度較慢，金屬表面熔融時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，拋光層向基體處延伸，材料表面平整度和表層力學(xué)性能均會(huì)降低。如圖2所示，掃描電子束下束時(shí)，在熔池與凝固區(qū)之間的溫差作用下，產(chǎn)生質(zhì)量流動(dòng)現(xiàn)象，熔池表面張力隨溫度升高而減小，產(chǎn)生將熔融液體從電子束中心（溫度最高處）向凝固區(qū)推動(dòng)的力，而熔池曲面和重力阻礙液體流動(dòng)，從而形成小波動(dòng)。

圖1 拋光前后金屬材料表面的形態(tài)

圖2 表面過(guò)熔機(jī)理

因此，若要實(shí)現(xiàn)良好的拋光效果，應(yīng)當(dāng)控制電子束能量密度大小和電子束作用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)凸起熔化且完全填補(bǔ)凹坑的目標(biāo)。

2 金屬材料表面拋光建模

任何材料表面沒(méi)有絕對(duì)的光滑，超精加工成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。在電子束拋光研究過(guò)程中，需要精確控制電子束能量密度，實(shí)現(xiàn)表面起伏的熔化。因此，首先要對(duì)機(jī)加工表面的形貌進(jìn)行分析，得到理論計(jì)算所需的數(shù)學(xué)物理模型，進(jìn)而仿真拋光初期到拋光完成材料表面溫度的一系列變化，以獲得合理的電子束拋光工藝參數(shù)。

2.1 表面三維模型的表述

圖3a為三維輪廓儀所拍攝銑削試樣表面三維形貌，發(fā)現(xiàn)材料表面凹凸不平，布滿凸起和溝壑，且表面凹凸均為不規(guī)則形狀。根據(jù)粗糙度曲線（圖3b）可見(jiàn)，凸起尖角平均寬度約為2 μm，凸起高度集中在0.2～1.0 μm，表面粗糙度（）為0.8 μm。因凸起形狀復(fù)雜，為方便研究，將凸起簡(jiǎn)化為三種典型形狀：圓錐形、半橢圓形、半球形，如圖3d、e、f。

圖3 試樣三維表面形貌及起伏形貌

2.2 電子束拋光作用下的表面建模

為探究電子束拋光過(guò)程中表面粗糙度對(duì)微熔狀態(tài)下電子束能量密度的影響規(guī)律，作出以下基本假設(shè)[11]：

（1）掃描電子束加工過(guò)程中能量密度分布均勻，在不同起伏形貌下的溫度分布均勻；

（2）電子束拋光過(guò)程中，忽略因表面起伏形貌所引起的非焦點(diǎn)效應(yīng)；

（3）掃描周期內(nèi)，表面凸起分布均勻；

（4）材料的熱物性參數(shù)不變；

（5）電子束束流視為垂直入射，熱輻射、X射線、二次電子等損耗忽略不計(jì)。

圖3c為單個(gè)凸起下的準(zhǔn)靜態(tài)物理模型，其中0為單個(gè)凸起體積，0為該凸起的底面積，0為電子束拋光過(guò)程中凸起的溫度，為凸起高度，s為基體所吸收的能量。

2.3 閾值計(jì)算

因表面凸起的尺寸較?。ㄎ⒚准?jí)），電子束掃描區(qū)域內(nèi)所有凸起的溫度均勻，由此可建立凸起（=0）與基體之間的溫度關(guān)系，如式(1)所示：

式中：U為加速電壓；I為電子束束流；r為電子束掃描半徑，設(shè)定為2 mm；l為單個(gè)凸起的平均寬度，設(shè)定為2 μm；v為電子槍移動(dòng)速度，。

由一維熱傳導(dǎo)模型可求得電子束作用下表層熱量傳到基板的方程為：

掃描電子束加工金屬材料表面過(guò)程中，材料表面溫度有三種情況：當(dāng)凸起受熱溫度低于熔點(diǎn)時(shí)（0<T），表面粗糙度主要受到熱應(yīng)力和表面張力影響，f=v=0；凸起的溫度處于熔點(diǎn)與沸點(diǎn)之間時(shí)（m<0v），可實(shí)現(xiàn)材料的去除，但基體溫度可能升至熔點(diǎn)，表面粗糙度將與熔深與熔池流動(dòng)相關(guān)。因此，式(6)為不同溫度下的分段函數(shù)。

基于以上數(shù)學(xué)模型研究三種立方晶格金屬（45鋼、AZ91D鎂合金、Ni）表面凸起的溫度與試驗(yàn)變量之間的內(nèi)在聯(lián)系，材料的熱物理屬性如表1所示[13-14]。

表1 45鋼、AZ91D鎂合金、Ni的熱物理性能

Tab.1 Thermal physics properties of 45 steel, AZ91D and Ni

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

為探究凸起的溫度與相關(guān)變量之間的內(nèi)在關(guān)系，采用MATLAB軟件，模擬不同設(shè)定條件下立方晶格金屬表面凸起的溫度變化。試驗(yàn)采用HDZ-6F型電子束高壓數(shù)控真空集成系統(tǒng)設(shè)備，如圖5所示。電子束加速電壓為固定值60 kV，電子束掃描頻率為200 Hz，單個(gè)周期內(nèi)電子束照射時(shí)間為0～0.005 s，因熱作用所需時(shí)間較短，為清晰顯示曲線規(guī)律，選取0～0.0005 s作為研究區(qū)間，電子束束流為7 mA。

圖5 HDZ-6F型電子束機(jī)

3.1 不同金屬材料對(duì)凸起溫度的影響規(guī)律

以圓錐形凸起形狀為例，探究材料屬性對(duì)凸起溫度的影響規(guī)律。為定量（7 mA），由式(3)可確定電子束能量密度與作用時(shí)間的關(guān)系，將三種材料的物理參數(shù)帶入式(6)，通過(guò)MATLAB求解可得圖6。由圖6可見(jiàn)，三種金屬材料的溫升曲線均呈非線性關(guān)系，Ni因?qū)嵝阅茏詈?，溫升曲線的曲率最小，在=3.9× 10–4s時(shí)，達(dá)到熔點(diǎn)溫度，掃描周期內(nèi)的最高溫度為1958 K，略高于熔點(diǎn)溫度；AZ91D鎂合金因熔點(diǎn)較低，在=4.3×10–5s時(shí)就已達(dá)到熔點(diǎn)溫度，之后鎂合金凸起的溫度持續(xù)升高，直至達(dá)到最高溫度2310 K；45鋼因?qū)嵯禂?shù)最低，溫升曲線上升幅度最大，在=2.3×10–4s時(shí)達(dá)到熔點(diǎn)溫度。

圖6 不同材料表面凸起的溫度變化曲線

45鋼表面粗糙度隨著凸起溫度的增加而先減小后增大，AZ91D鎂合金的表面粗糙度在研究區(qū)間內(nèi)隨著溫度的增加而降低，且表面粗糙度均低于原始粗糙度，Ni表面的粗糙度不斷增大且數(shù)值較大。為進(jìn)一步探究不同材料在不同凸起的溫度下粗糙度的變化原因，在凸起溫度高于熔點(diǎn)200 K的條件下處理表面，并對(duì)表面進(jìn)行三維形貌分析。由圖6的實(shí)際拋光型面與圖7可見(jiàn)，45鋼表面較為平整、光滑，銑削劃痕完全消熔，=0.329 μm。由三維形貌圖中所選軸線繪制所得輪廓曲線可見(jiàn)，該軸線上輪廓的平均高度為0.32 μm，起伏較為均勻且平緩。該參數(shù)下，熔融金屬較充分地流向銑削劃痕低洼處，使表面形貌得到極大改善[16]。AZ91D鎂合金試樣表面雖能觀測(cè)到熔融痕跡，但局部仍有銑削劃痕，=0.524 μm。輪廓曲線有連續(xù)三處規(guī)律性的大尺寸起伏，起伏高度可達(dá)0.624 μm，與原始銑削劃痕起伏輪廓相吻合，大尺寸起伏兩側(cè)輪廓線較為平緩，相對(duì)銑削形貌有顯著改善，由于鎂合金熔點(diǎn)較低且導(dǎo)熱性能良好，在極短的電子束作用時(shí)間內(nèi)，表層熱量未能有效積累，快速向基體流失，熔化金屬未完全填補(bǔ)低洼處即已凝固。Ni表面出現(xiàn)熔坑缺陷，表面過(guò)度熔融且粗糙度高于原始試樣，=1.64 μm。由輪廓曲線可見(jiàn)，輪廓中部出現(xiàn)寬度約300 μm、深度約0.5 μm的熔坑。根據(jù)SOM機(jī)理和其他學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，可將其形成機(jī)制概括為：當(dāng)電子束能量密度較大時(shí)，內(nèi)部能夠進(jìn)行能量累積，并在次表層聚集較高能量，導(dǎo)致表層溫度超過(guò)相變溫度，發(fā)生了部分重熔，體積發(fā)生膨脹，形成較大的應(yīng)力，局部凸起進(jìn)一步長(zhǎng)大，發(fā)生噴發(fā)和飛濺，當(dāng)噴發(fā)區(qū)未能及時(shí)填補(bǔ)而直接凝固時(shí)，將會(huì)形成熔坑缺陷[17-19]。結(jié)合Ni的溫升曲線，可以得出，由于Ni導(dǎo)熱性能良好，當(dāng)凸起的溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，需要較長(zhǎng)作用時(shí)間，亞表層能量積累較多，為局部區(qū)域噴發(fā)提供了條件[20-21]。

表2 電子束拋光試驗(yàn)與結(jié)果

Tab.2 Electron beam polishing test and results

圖7 高于熔點(diǎn)200 K電子束作用下試樣表面形貌

綜合以上結(jié)果與分析，電子束表面拋光對(duì)能量密度要求極高。對(duì)于諸如鎂合金等低熔點(diǎn)、高導(dǎo)熱的材料，為控制表層溫度高于熔點(diǎn)溫度，需極快的掃描速度或較低的電子束參數(shù)。因電子束設(shè)備移速可調(diào)范圍有限且參數(shù)精度較難把控，可考慮低功率電子束流多次掃描的方法，逐漸降低表層粗糙度。對(duì)于諸如鎳等高熔點(diǎn)、高導(dǎo)熱的材料，需要較長(zhǎng)掃描時(shí)間，表層易出現(xiàn)過(guò)度熔融現(xiàn)象，可考慮在表層增加有助液態(tài)金屬流動(dòng)性能的元素，以促進(jìn)熔坑的填補(bǔ)，從而降低表面粗糙度。

3.2 不同凸起形狀對(duì)表面溫度的影響規(guī)律

式中：A=h=Ra/2，Ra為材料表面輪廓算數(shù)平均偏差；為表面凸起的平均間距；b為初相。

將三種典型形狀（圓錐形、半橢圓形、半球形）及cos函數(shù)特征數(shù)值帶入式(6)進(jìn)行求解，其中= 0.5 μm，求解的值大于材料熔點(diǎn)溫度。由計(jì)算結(jié)果圖8b、c、d可見(jiàn)，凸起的溫度均隨掃描時(shí)間的增加而增加，且不同形狀凸起的溫差隨時(shí)間增加而增大。

當(dāng)電子束作用時(shí)間均為4.5×10–4s時(shí)，45鋼圓錐形凸起的溫度與半圓形凸起的溫度有最大溫差127 K，AZ91D鎂合金的溫差次之，Ni有最小溫差49 K。結(jié)合表1與圖6總結(jié)出，電子束作用試樣時(shí)，不同凸起形狀之間的溫差與材料導(dǎo)熱性能直接相關(guān)，導(dǎo)熱性能良好的材料因凸起的溫度快速向基體傳導(dǎo)，溫升較慢，從而不同形狀凸起的溫差較小[23-25]。

對(duì)比不同凸起形狀的溫升曲線，三種材料中，半橢圓形溫升最快，圓錐形次之且與cos函數(shù)擬合形狀溫升極為接近，半球形凸起溫升最慢。為明確凸起形狀的溫升關(guān)系，對(duì)不同凸起形狀的0/0值進(jìn)行計(jì)算，其中，cos函數(shù)形狀比通過(guò)MATLAB擬合所得。由表3可看出，不同凸起高度下，各類形狀凸起的0/0值規(guī)律一致，其中，半橢圓形的形狀比最大，圓錐形次之，半球型最小，cos函數(shù)擬合數(shù)值與圓錐形數(shù)值最為接近，差值在8%～9%。

表3 不同凸起形狀0/0值

Tab.3 A0/V0 value for different protrusion shapes

因此，由凸起溫升曲線和形狀比計(jì)算可得出，在求解掃描電子束作用下凸起的溫度變化時(shí)，圓錐狀凸起與銑削型面的三角函數(shù)形貌有較高擬合度，在計(jì)算過(guò)程中，三角函數(shù)擬合形貌運(yùn)算量、仿真時(shí)間步長(zhǎng)以及復(fù)雜程度上均遠(yuǎn)高于圓錐狀函數(shù)值，因此在求解過(guò)程中，可用圓錐狀凸起函數(shù)作為原始形貌進(jìn)行求解。

4 結(jié)論

本文采用掃描電子束技術(shù)對(duì)立方晶格金屬表面進(jìn)行微熔拋光試驗(yàn)、表面起伏傳熱建模、溫度曲線擬合等研究，針對(duì)不同材料屬性和起伏形貌下試樣表面凸起的溫度進(jìn)行深入分析，主要得到以下結(jié)論：

1）試樣表面凸起的溫度受到凸起吸收電子束能量、熱傳到基板的能量以及材料熔化與蒸發(fā)潛熱的能量三個(gè)因素影響，電子束拋光過(guò)程應(yīng)將凸起的溫度控制在略高于熔點(diǎn)以上。

2）凸起溫升速度受到材料導(dǎo)熱性能、電子束能量密度及作用時(shí)間的復(fù)合影響。45鋼表面溫度高于熔點(diǎn)200 K時(shí)，為0.329 μm，拋光效果良好，鎂合金熔點(diǎn)較低且導(dǎo)熱性能良好，凸起的溫度適當(dāng)增加有助于表面粗糙度的改善，而鎳與此規(guī)律相反。

3）圓錐形凸起形貌與銑削cos函數(shù)擬合形貌有較高的相似性，溫升曲線重合度較高，在計(jì)算過(guò)程中，可替換運(yùn)算復(fù)雜程度較高的cos函數(shù)擬合形貌。

[1] GUO Shun, ZHOU Qi, KONG Jian, et al. Effect of Beam Offset on the Characteristics of Copper/304 Stainless Steel Electron Beam Welding[J]. Vacuum, 2016, 128: 205-212.

[2] WANG Xin, WEI Xi-cheng, HONG Xiao-lu, et al. Form-a-tion of Sliding Friction-induced Deformation Layer with Nanocrystalline Structure in T10 Steel Against 20CrMnTi Steel[J]. Applied Surface Science, 2013, 280: 381-387.

[3] SHINONAGA T, OKADA A, LIU Hao, et al. Magnetic Fixtures for Enhancement of Smoothing Effect by Elec-tron Beam Melting[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2018, 254: 229-237.

[4] UNO Y, OKADA A, UEMURA K, et al. A New Polish-ing Method of Metal Mold with Large-area Electron Beam Irradiation[J]. Journal of Materials Processing Tech-no-logy, 2007, 187-188: 77-80.

[5] 許天才. 強(qiáng)流脈沖電子束作用下40Cr表面性能的研究[D]. 重慶: 重慶理工大學(xué), 2012.

XU Tian-cai. Surface Properties Studying of 40Cr by High Current Pulsed Electron Beam[D]. Chongqing: Chongq-ing University of Technology, 2012.

[6] 胡建軍, 許洪斌, 許天才, 等. 不同加工工藝材料表面電子束改性粗糙度分析[J]. 熱加工工藝, 2012, 41(16): 150-153.

HU Jian-jun, XU Hong-bin, XU Tian-cai, et al. Analysis on Surface Roughness of Material with Electron Beam on Different Finished Surface[J]. Hot Working Technology, 2012, 41(16): 150-153.

[7] 胡建軍, 陳元芳, 許洪斌, 等. 強(qiáng)流脈沖電子束照射下40Cr的表面形貌及XRD分析[J]. 熱加工工藝, 2010, 39(4): 28-31.

HU Jian-jun, CHEN Yuan-fang, XU Hong-bin, et al. Sur-face Appearance and XRD Analysis of 40Cr Bombarded by High Current Pulsed Electron Beams[J]. Hot Working Technology, 2010, 39(4): 28-31.

[8] WEI De-qiang, WANG Xiao-bing, WANG Rong, et al. Surface Modification of 5CrMnMo Steel with Continuous Scanning Electron Beam Process[J]. Vacuum, 2018, 149: 118-123.

[9] LI Xin-kai, WANG Rong, WANG Qi-chao, et al. Scann-ing Electron Beam Polishing and Defect Analysis of 65 Steel[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2021, 490: 34-38.

[10] ORMANOVA M, PETROV P, KOVACHEVA D. Elec-tron Beam Surface Treatment of Tool Steels[J]. Vacuum, 2017, 135: 7-12.

[11] 胡興, 彭昭成, 馮廣杰, 等. SUS310S不銹鋼局部真空電子束焊接接頭殘余應(yīng)力及變形研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2020, 56(21): 38-47.

HU Xing, PENG Zhao-cheng, FENG Guang-jie, et al. Numerical Simulation of Residual Stress and Deformation of SUS310S Stainless Steel Local Vacuum Electron Beam Welded Joint[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(21): 38-47.

[12] 王厚勤. 不同重力水平下電子束焊接熔池行為與熔滴過(guò)渡研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2018.

WANG Hou-qin. Research on Molten Pool Behavior and Metal Transfer during Electron Beam Welding under Diff-erent Gravity Level[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2018.

[13] 田宗軍, 王東生, 黃因慧, 等. 45鋼表面激光重熔溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào), 2008, 29(6): 173- 178.

TIAN Zong-jun, WANG Dong-sheng, HUANG Yin-hui, et al. Numerical Simulation of Temperature Field of Laser Remelting on 45 Steel[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2008, 29(6): 173-178.

[14] 王全樂(lè), 郭艷萍, 董兆博, 等. AZ91D鎂合金壓鑄樣品仿真分析及腐蝕行為研究[J]. 鑄造設(shè)備與工藝, 2018(1): 20-24.

WANG Quan-le, GUO Yan-ping, DONG Zhao-bo, et al. Simulation Analysis and Corrosion Behaviour of AZ91D Die-casting Sample[J]. Foundry Equipment & Techno-logy, 2018(1): 20-24.

[15] 李新凱, 王榮, 王啟超, 等. 掃描電子束微熔拋光臨界功率密度規(guī)律及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 表面技術(shù), 2021, 50(7): 386-393.

LI Xin-kai, WANG Rong, WANG Qi-chao, et al. Research on Critical Power Density and Experiment of Scanning Electron Beam Micro-melting Polishing[J]. Surface Tech-nology, 2021, 50(7): 386-393.

[16] LUO Dian, TANG Guang-ze, MA Xin-xin, et al. The mi-crostructure of Ta Alloying Layer on M50 Steel after Sur-face Alloying Treatment Induced by High Current Pulsed Electron Beam[J]. Vacuum, 2017, 136: 121-128.

[17] DENG Shan-quan, GODFREY A W, LIU Wei, et al. Eff-ects of Normal Stress, Surface Roughness, and Initial Grain Size on the Microstructure of Copper Subjected to Platen Friction Sliding Deformation[J]. International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials, 2016, 23(1): 57-69.

[18] FU Yu-lei, HU Jing, SHEN Xian-feng, et al. Surface Har-dening of 30CrMnSiA Steel Using Continuous Electron Beam[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2017, 410: 207-214.

[19] LU Jian, WEI De-qiang, WANG Rong, et al. Surface Pol-i-shing and Modification of 3Cr2Mo Mold Steel by Ele-ctron Beam Irradiation[J]. Vacuum, 2017, 143: 283-287.

[20] 周志明, 陳光海, 袁林, 等. 強(qiáng)流脈沖電子束表面改性30SiMn2MoVA鋼的顯微組織[J]. 特種鑄造及有色合金, 2017, 37(5): 469-472.

ZHOU Zhi-ming, CHEN Guang-hai, YUAN Lin, et al. Mi-crostructure of 30SiMn2MoVA Steel Modified by High Current Pulsed Electron Beam[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2017, 37(5): 469-472.

[21] 陳軍, 李偉, 賀冬云, 等. 強(qiáng)流脈沖電子束表面改性FeCrAl涂層的顯微組織及耐高溫腐蝕性能研究[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(5): 200-206.

CHEN Jun, LI Wei, HE Dong-yun, et al. Surface Micro-structure and High-temperature Erosion Resistance of FeCrAl Coating after High Current Pulsed Electron Beam Treatment[J]. Surface Technology, 2020, 49(5): 200-206.

[22] 王濤, 王杰, 姚濤, 等. 激光拋光中金屬表面的建模及仿真[J]. 激光與紅外, 2019, 49(9): 1068-1074.

WANG Tao, WANG Jie, YAO Tao, et al. Modeling and Simulation of Metal Surface in Laser Polishing[J]. Laser & Infrared, 2019, 49(9): 1068-1074.

[23] LI Xin-kai, WANG Rong, XIN Zhe, et al. Changes in Surface Roughness and Microstructure of 45 Steel after Irradiation by Electron Beam[J]. Materials Letters, 2021, 296: 129934.

[24] 王榮, 齊世龍, 魏德強(qiáng). 掃描電子束鋁合金表面處理應(yīng)力場(chǎng)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2012, 48(6): 70-75.

WANG Rong, QI Shi-long, WEI De-qiang. Simulation and Experimental Research of Stress Field in the Process of Aluminum Alloy Surface Modifying by electron Beam[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2012, 48(6): 70-75.

[25] 高波, 高超, 何吉東, 等. 強(qiáng)流脈沖電子束作用下純鈦的微觀組織結(jié)構(gòu)變化及其性能研究[J]. 表面技術(shù), 2017, 46(7): 156-160.

GAO Bo, GAO Chao, HE Ji-dong, et al. Microstructure Variation and Properties of Pure Titanium Induced by High-current Pulsed Electron Beam[J]. Surface Techno-logy, 2017, 46(7): 156-160.

Surface Modeling and Experimental Research of Cubic Lattice Metal Polished by Scanning Electron Beam

a,b,a,a,a,a

(a.School of Mechanical and Electrical Engineering, b.National Demonstration Center for Experimental Education of Mechanical and Electrical Engineering Training, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

This paper aims to determine the variation between the temperature on the surface protrusion of cubic lattice metal polished by scanning electron beam and the scanning time. The cubic lattice metal sample after milling was chosen as the research object, the surface protrusion shape and the one-dimensional heat conduction model were analyzed by numerical simulation, the functional relations between the temperature and the electron beam energy density or the electron beam action time were studied by combining theory and polishing test, and the temperature rise curves under the influence of different material properties and protrusion shapes were established through simulation software. The protrusion shape of the milling surface can be simplified into conical, semi-elliptical and hemispherical shapes; the temperature on the surface protrusion was affected by three factors: electron beam energy density, electron beam action time, and undulating topography parameter ratio; the protrusion temperature rise rate is positively correlated with the heat conductivity of materials. When the fluctuating temperature is 200 K higher than the melting point, the surface roughness of 45 steel and AZ91D magnesium alloy is reduced; the temperature rise rate of the fluctuating shape is positively related to the shape ratio, and the temperature rise curve and the shape ratio value of the conical protrusion is similar to those fit by. trigonometric function. When the cubic lattice metal surface is polished by scanning electron beam, by establishing the protrusion temperature change curve, the selection of electron beam process parameters can be guided to predict its surface topography changes.

cubic lattice metal; scanning electron beam; polishing; fluctuation; energy density; protrusion; roughness

2021-03-10；

2021-05-26

LI Xin-kai (1993—), Male, Ph. D. Candidate, Research focus: electron beam surface modification.

魏德強(qiáng)（1963—），男，碩士，教授，主要研究方向?yàn)樾虏牧闲鹿に嚒?/p>

Corresponding author：WEI De-qiang (1963—), Male, Master, Professor, Research focus: new materials and new technology.

李新凱, 王榮, 魏德強(qiáng), 等.立方晶格金屬掃描電子束拋光處理下表面建模與試驗(yàn)研究[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(1): 212-219.

TG580.692

A

1001-3660(2022)01-0212-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.022

2021-03-10；

2021-05-26

國(guó)家自然科學(xué)基金（52165057）；廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（2020KY05026）；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2020JJB160001）；桂林電子科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目（2021YCXB02，2021YCXS019）

Fund：National Natural Science Foundation of China (52165057), the Basic Ability Improvement Project of Young and Middle-aged Teachers in Guangxi Universities (2020KY05026), Guangxi Natural Science Foundation Project (2020JJB160001), Innovation Project of GUET Graduate Education (2021YCXB02, 2021YCXS019)

李新凱（1993—），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡娮邮砻娓男浴?/p>

LI Xin-kai, WANG Rong, WEI De-qiang, et al. Surface Modeling and Experimental Research of Cubic Lattice Metal Polished by Scanning Electron Beam[J]. Surface Technology, 2022, 51(1): 212-219.