3.2. Тепловые эффекты при электронно-лучевом нагреве

На первой стадии передачи энергии веществу происходит ионизация или возбуждение атомов вещества, появляются высокоэнергетичные неравновесные электроны в зоне проводимости. В результате электрон-электронных столкновений энергии свободных электронов выравниваются, и электронный газ нагревается за время порядка 10^-13 с. Затем в ходе ряда неупругих столкновений электронов с ионами за время порядка 10^-11 с электроны передают избыточную энергию кристаллической решетке, в результате температуры решетки и электронного газа выровняются, при этом вещество нагреется, так как температура электронного газа выше температуры решетки.

На следующей стадии произойдет развозбуждение атомов вещества, при котором избыточная энергия частично перейдет в тепловую, другая ее часть будет израсходована на генерацию электромагнитного излучения. Так как время жизни атомов в возбужденном состоянии порядка 10^-9 с, то по истечении этого времени после попадания электронов в вещество можно говорить о единой физической температуре системы «электроны – решетка».

Распределение температуры в толще материала при облучении зависит от его теплопроводности. Так, для материалов с высокой теплопроводностью, например, для меди, температура поверхности слабо зависит от энергии электронов; у материалов с примерно такой же плотностью, но с меньшей теплопроводностью (нержавеющая сталь) температура поверхности существенно ниже максимальной температуры на глубине , где температура может превышать температуру кипения. Вольфрам имеет более высокую плотность, поэтому тепловой источник локализуется ближе к поверхности, а сравнительно высокая теплопроводность позволяет выравнять температуру по глубине.

При достаточно большой плотности мощности луча происходит испарение вещества без его расплавления (сублимация). Если пренебречь потерями на теплопроводность и излучение, то подводимая энергия

= ,

где P - мощность луча, - плотность материала, L_исп - теплота испарения,

S - площадь сечения луча, - глубина испаряемого материала за время .

Глубина образовавшейся за время t лунки

h(t) = qt/ L_исп ,

где q = P/S – плотность мощности. Выражение получено в предположении, что температура поверхности всегда равна температуре испарения и нет других потерь энергии, что далеко от реальных условий. Более детальное исследование зависимости глубины проплавления от времени показывает, что при малых временах нагрева реальная скорость испарения велика и приближается к таковой без теплообмена со средой; по мере роста времени нагрева она уменьшается, стремясь к некоторой постоянной для данного материала. Глубина проплавления при малых временах воздействия луча зависит от времени линейно; при больших временах скорость снижается и, начиная с некоторого значения времени, глубина проплавления перестает расти. Особый случай – так называемое «кинжальное» проплавление имеет место при скорости выделения тепловой энергии, превышающей ее отвод за счет за счет теплопроводности, излучения и испарения. При кинжальном проплавлении глубина проплавления значительно превышает глубину проникновения электронов в твердую фазу, ее значение зависит от множества факторов, а отношение глубины проплавления к диаметру электронного луча достигает 40 … 50.

На поверхности расплавленного металла действуют силы, стремящиеся прогнуть поверхность расплава и вытеснить расплавленный металл из зоны действия луча, образуя кратер. Эти силы обусловлены давлением электронного луча и реактивным давлением испаряющихся частиц, они уравновешиваются гидростатическим давлением столба жидкости и силами поверхностного натяжения жидкого металла. При глубоком проплавлении в месте воздействия луча образуется пароплазменный канал, длина пробега электронов возрастает, и дно канала дополнительно разогревается от электронной бомбардировки, из-за вскипания жидкой фазы происходит ее выброс из канала наружу. Процесс образования канала неустойчив и носит пульсирующий характер.