Электронно-лучевое плавление характеризуется отличной способностью к очистке и предлагает высокую степень вариативности источника нагрева. Поэтому этот процесс идеален для переплавки и очистки металлов и сплавов в высоком вакууме в водоохлаждаемых медных формах. Сегодня данный процесс в основном используется для производства тугоплавких и химически активных металлов (тантал, ниобий, молибден, вольфрам, ванадий, гафний, цирконий, титан) и их сплавов. Он играет важную роль в производстве сверхчистых материалов для катодов и сплавов, используемых в электронике, и в переработке титанового лома.

Металлургия электронно-лучевого плавления

Электронно-лучевые пушки представляют собой высокотемпературные источники нагрева, при помощи которых в точке фокусировки луча можно получить температуру плавления и даже испарения любого материала. Благодаря магнитному фокусированию и быстрому сканированию на высоких частотах электронный луч может эффективно направляться на объекты различной формы и поэтому является самым гибким источником нагрева в технологиях переплава. Электронный луч создает на объекте  обычной плотности удельную энергию в 100 кВт/см². В зависимости от материала выход по передаче мощности составляет от 50 до 80 %. Поскольку при электронно-лучевой плавке нагревается только поверхность, образуется только мелкий слой расплавленного металла при допустимых скоростях плавки, что положительно влияет на структуру слитка относительно пористости, ликваций и т.д. Из-за того, что расплавленный металл находится в вакууме уровня от 1 до 0,001 Па происходит отличная дегазация расплавленного материала. Металлические и неметаллические включения с давлением испарения выше, чем у основного материала избирательно испаряются, что позволяет получить слиток желаемой степени чистоты. В других случаях это может привести к потере желаемых легирующих элементов, количество которых должно рассчитываться.

Варианты технологии

Высокая гибкость источников нагрева при электронно-лучевой плавке вызвала появление нескольких способов плавления и очистки.

•  Плавка скапыванием

Является классическим методом при производстве таких активных металлов как Ta и Nb. Шихтовой материал в форме прутков обычно загружается горизонтально и плавится прямо в извлекаемый кристаллизатор. Уровень расплавленного металла поддерживается извлечением нижней части растущего слитка. Очистка основана на дегазации и выборочном испарении как описано выше. В большинстве случаев для получения желаемого качества требуется повторная плавка слитка от первого переплава. Для повторной плавки слиток загружается вертикально.

• Электронно-лучевая очистка с промежуточной емкостью  (EBCHR)

имеет большое значение при производстве и переработке активных металлов. Материал плавится скапыванием в задней части медной водоохлаждаемой промежуточной емкости, из которой она перетекает в кристаллизатор. В промежуточной емкости в дополнение к очистке описанной выше в расплавленном металле происходит разделение включений с высокой и низкой плотностью по весу. Для этого емкость должна обладать соответствующими размерами. Большие плавильные установки с промежуточной емкостью оснащаются большим числом пушек для обеспечения достаточной мощности и распределения энергии.

• Кнопочная плавка

используется для определения чистоты образцов жаропрочных сплавов относительно типа и количества неметаллических включений низкой плотности. Оборудование представляет собой автоматическое программируемое устройство для плавления и контролируемой направленной кристаллизации образцов. Включения низкой плотности (обычно оксиды) всплывают на поверхность расплавленного металла и концентрируются в центре на поверхности кристаллизующегося образца.

• Зонная плавка

Зонная плавка является одной из старейших технологий при производстве металлов высокой чистоты.

Управление процессом

Установки EB работают в полуавтоматическом режиме. Несмотря на то, что автоматика процесса контролируется мощным компьютером, требуется наблюдение оператора и тонкая настройка вручную.

Автоматизация процесса включает:

• Вакуумную систему
• Контроль давления
• Скорость подачи материала и извлечения слитка
• Контроль напряжения и тока эмиссии в зависимости от процесса
• Распределение энергии луча, управляемое компьютером
• Сбор и сохранение данных

Отклонение луча должно управляться относительно положения и времени для распределения энергии луча в зависимости от процесса. С этой целью ALD разработала компьютерную программу для сканирования и контроля электронного луча «ESCOSYS», позволяющую управлять несколькими пушками. Эта программа отвечает самым высоким требованиям к сложному распределению энергии луча, которое определяется в рецепте плавки выбором подходящих моделей отклонения из имеющихся. Модели могут изменяться в графическом редакторе по размеру и расположению на поверхности зоны плавки и отображаются на компьютерном экране. Модели автоматически корректируются относительно угловой деформации на объекте. Активная энергетическая фракция каждой модели определяется временем задержки луча как части набора параметров модели. Рабочий режим для так называемого управления распределением энергии также включен. Здесь фактические модели отражения луча на объекте рассчитывается компьютером согласно данным оператора. Для пуско-наладочных работ на установке была разработана специальная обучающая программа по геометрии плавки и ее зависимости от частоты отклонения. Таким образом, выхождение луча за пределы плавки распознается и автоматически ограничивается при редактировании моделей отклонения.

Типы электронно-лучевых пушек и плавильных установок

В наличии имеются следующие системы:

•Электронно-лучевые пушки
Серии электронно-лучевых пушек с мощностью в 60, 300 и 600 кВт при напряжении 25-45 кВ.

•Установки для электронно-лучевой плавки скапыванием
Для производства слитков тугоплавких металлов с диаметром до 400 мм и длиной до 3.000 мм, мощность луча до 2 МВт с использованием 2-х, 3-х или 4-х пушек.

•Электронно-лучевые промышленные установки с холодным подом
Для получения слитков и заготовок из тугоплавких металлов, включая вторичную переработку материалов. Вес слитка до 15 тонн, общая мощность луча до 3 МВт при использовании до 6 пушек.

•Электронно-лучевые установки для опытного производства

Позволяющие производить как плавку скапыванием, так и очистку с холодным подом, оснащенные всем оборудованием, необходимым для данных процессов. Общая мощность луча 200 – 500 кВт с 2 пушками.

•Электронно-лучевые установки

для лабораторных исследований и разработок.

•Электронно-лучевые установки для кнопочной плавки

Для получения опытных образцов диаметром 30 мм, высотой 8 мм, весом 0,7 кг (для никелевых сплавов), требуемая мощность луча 30 кВт

•Электронно-лучевые установки с плавающей зоной плавки

Могут обрабатываться прутки с диаметром до 20 мм и длиной до 300 мм. Используется кольцевая система электронного луча с мощностью 10 кВт.

Возможности электронно-лучевой плавки

• ALD предлагает электронно-лучевые пушки с самой современной системой контроля отклонения луча и мощностью в 60, 300 и 600 кВт
• Установки оборудуются источниками тока плавления мощностью до 2.000 кВт
• Процесс плавки без керамических форм для получения слитков круглого, квадратного и треугольного сечения

Применение установок EB

• Переплав высокочистых материалов, напр. ниобия и тантала;
• Производство титана для химической и авиакосмической промышленности;
• Производство циркония для химической промышленности;
• Производство высокочистых металлов для электронной промышленности (т.н. катоды)