环形束斑冷阴极电子枪的研制及其束流品质优化

桑兴华 许海鹰 杨波

摘要：电子束熔丝增材制造技术适用于大中型金属构件的高效整体化成形，针对目前用于熔丝增材制造的电子枪存在的诸多缺点，设计了一种环形束斑冷阴极电子枪，建立了三维模型，对束源关键部件结构尺寸进行模拟仿真，当阴极弧面半径100 mm，阳极倾角40°时束流品质最优;根据模拟仿真结果加工制造了电子枪，经测试，其耐压可达-22 kV，最大束流可达1 250 mA;选用直径2 mm的TC4焊丝在加速电压-20 kV、束流210 mA、工作台移动速度310 mm/s、送丝速度30 mm/s下进行熔丝实验，获得了良好的表面成形质量。

关键词：电子束熔丝增材制造;环形束斑;冷阴极电子枪;钛合金

0    前言

增材制造是一种通过逐层增加材料，直接参照CAD模型生成近净成形结构的快速制造技术[1-6]，在航空航天、微纳制造、生物医学工程等领域应用前景广阔[7]。电子束熔丝成形技术[8-10]具有成形速度快、材料利用率高和保护效果好等特点，适用于大中型金属构件的高效整体化成形。电子束熔丝增材制造技术作为一类先进的增材制造技术得到了国内外研究者的广泛关注。TAMINGER[11]等人开发了一套成形效率可达2 500 cm3/h的电子束熔丝增材制造装备。WANG [12]等人研究了电子束束流对异种金属熔丝的影响，指出其影响机制主要为熔深。Dmytro[13-14]等人开发了一种新型电子束熔丝增材制造装置，提高了成形精度和效率。中国航空制造技术研究院高能束流发生器实验室团队[15-16]研究了用于多丝送进以及同轴送粉的电子束增材制造装置。目前常用的电子束熔丝增材制造技术原理如图1所示。

电子束增材制造用电子枪主要为热阴极电子枪，包括直热式和间热式两种，阴极一般采用钨丝且寿命较短，直接影响到成形质量和加工效率。且由于电子枪固有的结构特点，其电子束流必须沿着轴心输出，丝材只能从电子枪束流轴线旁侧进给，这就需要精密复杂的对中装置将丝材准确送到电子束流位置，加大了设备操作难度，且电子束照射在丝材上会在其背部形成“ 阴影区 ”，容易导致当增材制造成形方向指向“ 阴影区 ”时，成形件内部组织结构不均匀。文中设计了一种用于电子束熔丝增材制造的环形束斑冷阴极电子枪，具有阴极寿命长、功率大、质量轻、能在恶劣真空环境下长期稳定工作的优点;且结构简单，不需要额外的电磁聚焦系统，仅依靠自身静电场即可使电子束聚焦;丝材与电子束流同轴，无需复杂的对中装置;熔丝成形过程中无阴影区，能显著提高成形运动自由度，有效保障成形件内部组织的均匀性。

1 环形束斑冷阴极电子枪工作原理

环形束斑冷阴极电子枪的工作原理如图2所示。环形阴极接零到几十千伏负高压，外壳接地充当阳极，在阴阳极之间通入工作气体，该气体被电离成等离子体，等离子体中的正离子在电场作用下轰击阳极表面使阳极发射二次电子，这部分二次电子和等离子体中的电子两部分共同组成最终的电子束，依靠阴-阳极自身结构形成的静电场使电子汇聚，最终在汇聚点处熔化同轴送进的丝材。

2 环形束斑冷阴极电子枪结构设计

利用三维造型软件设计的电子枪三维模型如图3所示。电子枪直径φ230 mm，高140 mm。

阴极为环形结构，电子发射面为弧形，保证电子能汇聚。阴极内部設计中空水冷通道，阴极中心环嵌套陶瓷绝缘环，起到与导丝机构绝缘的作用，阴极内部通水冷却，延长阴极的使用寿命。由于电子枪阴极接-20 kV高压，其余零部件接地，为实现绝缘，设计陶瓷绝缘柱，实现阴极和枪体外壳的绝缘。导丝机构与阴极同轴安装，设计中空水冷结构保护丝嘴。丝嘴为导热快的紫铜材料，由于其熔点低，在丝嘴外设计耐高温材料的保护套。

3 电子枪束流品质优化关键参数模拟仿真

由于所设计的环形束斑冷阴极电子枪在工作过程中仅靠阴-阳极之间形成的静电场来使电子束汇聚，故阴-阳极形貌几何参数直接决定电子束最终焦点处的束流品质。采用模拟仿真软件CST PARTICLE STUDIO对电子枪的阴极、阳极影响束流品质的关键尺寸进行模拟仿真。该软件是求解电磁场和带电粒子相互作用的仿真软件，支持多种粒子发射模型，包括空间电荷限制发射、固定能量发射、场致发射、二次电子发射、温度限制发射等;支持自定义材料、内置材料库、PBA六面体网格;支持非线性铁磁材料、各向同性和各向异性材料和导体;支持开放和电磁边界条件，有用于互作用仿真和接力分段跟踪的束流粒子状态界面;支持加载粒子碰撞平均功率监视器、时变谐振电磁场、静磁场以及外部静电场，还可以仿真粒子碰撞时产生的温度场变化;支持瞬态定格图、粒子轨迹图、相图等状态图[17]。

模拟过程每次控制单一变量，只改变一个参数。建立等效三维模型并选取阴极半径R、阳极角度α、两个参数进行模拟，如图4所示。

根据实际工作情况，设置边界条件、网格划分方法、电子发射方式、求解方程等，仿真软件支持外部导入三维模型功能，将利用PRO/E软件建立的1∶1三维模型导入仿真软件中，定义边界条件，y向磁场分量为0，由于在建立电子枪模型时未对其进行其他屏蔽，Xmin、Xmax、Zmin、Zmax的边界条件均设为open状态[18]。网格划分采用CAD 设计中常用的自动网格划分和手动对局部网格进行加密的方法，划分形式FPBA。重点要加密部分为阴极、栅极和阳极附近的网格[19]。

对整个电子的产生及汇聚过程进行模拟仿真。得到电场分布如图5所示，电子沿垂直等电位线的方向运动;在该电场作用下得到完整的束流轨迹如图6所示。由图6可知，电子从阴极产生，经阴-阳级之间的静电场汇聚和阴-阳极之间加速电压加速，在电子枪出口下方某一点汇聚成束斑最小、电子束流密度高度集中的点，即最终工作的焦点。

沿电子运动方向，电子束流密度在垂直于束流轴线方向的分布状况如图7所示，0点是阴极表面，为电子发射面，Y负方向为电子走向，由图可知，电子在静电场作用下汇聚成束，电子束电流密度增加，最大值在电子束的最终工作焦点处，经过焦点后，由于惯性及电子之间的斥力作用，电子束呈发散趋势，电流密度逐渐减小。

3.1 阴极弧面半径的仿真与优化

利用模拟仿真软件优化图4的阴极弧面半径R，以确定能够获得最优束流品质的阴极弧面半径。R的取值范围如表1所示，每组试验其余参数不变。

模拟后得到不同阴极弧面半径下最终焦点处电子束流密度如图8所示。由图8可知，在85～120 mm范围内，随着阴极弧面半径的增加，束流最终焦点处电流密度先增加后减小，约在100 mm处达到最大值，故最终设计阴极弧面半径选取100 mm。

3.2 阳极倾角的仿真与优化

选取图4所示的阳极（外壳）倾角α作为变量，利用模拟仿真软件对不同阳极结构下电子束空间分布状态进行模拟，每次模拟试验控制单一变量，最终得到束流品质最优的阳极结构。阳极倾角α的取值如表2所示。

模拟所得不同阳极倾角的最终焦点处电子束流密度如图9所示。在30°～60°范围内，最终焦点处电子束流密度随着阳极倾角的变化先增加后减小，在阳极倾角约为40°时达到最大，故选取40°为最终电子枪阳极的倾角设计尺寸。

根据模拟仿真结果，加工制造的环形束斑冷阴极电子枪实物如图10所示。在中国航空制造技术研究院自主研制的CV2M真空室上集成电子枪与送丝系统组件熔丝试验平台如图11所示。

4 环形束斑冷阴极电子枪性能测试

4.1 高压加载试验

当真空室、电子枪的真空度均达到设计要求后，对电子枪进行耐压性能检测试验。在空载条件下逐渐加高压，在0到-20 kV电压段，每次加载5 kV停留10 min;在-20 kV以上，每增加1 kV，停留10 min，在每段电压停留期间，电子枪不放电则表明电子枪耐压能满足要求，测试结果如表3所示。由表3可知，电子枪加载到-22 kV时，还能保持稳定，继续增大时，电子枪出现放电，说明电子枪最大耐压可达-22 kV。

4.2 束流试验

加速电压给定-20 kV，调节气体流量计，通入氦气，气流量从零开始逐渐增大，电子枪产生束流如图12所示，用示波器测量束流反馈信号Ub，根据式（8）计算出束流Ib，记录数据如表4所示。

由表4可知，当气流量为0.24 mL/min时，电子枪束流输出达到1 250 mA。

4.3 熔丝试验

采用直径2 mm的TC4焊丝，加速电压-20 kV，进行单层熔丝试验。

（1）固定束流为100 mA，工作台移动速度为300 mm/min，在不同的送丝速度下进行熔丝试验，参数如表5所示。熔丝成形试样如图13所示，送丝速度为30 mm/s时，熔丝成形质量最好。

（2）固定束流100 mA，送丝速度30 mm/s，在不同的工作台移动速度下进行熔丝试验，参数如表6所示。熔丝成形试样如图14所示。可以看出，当工作台移动速度为310 mm/s时，熔丝成形质量较好，当工作台移动速度过快时，成形不连续;当工作台移动速度过慢时，成形试样熔丝成形轨迹过宽。

（3）固定工作台移动速度310 mm/s，送丝速度30 mm/s，在不同的束流下进行熔丝试验，参数如表7所示。

試验所得熔丝成形试样如图15所示。当束流过小时，丝材未完全熔化，出现粘丝;当束流过大时，出现熔塌，成形不均匀;当束流约为260 mA时，熔丝成形质量较好。

5 结论

（1）采用模拟仿真方法优化影响环形冷阴极电子枪束流品质的关键参数，当阴极弧面半径100 mm，阳极倾角40°时，束流品质最优。

（2）所研制的环形束斑冷阴极电子枪最大耐压-22 kV，最大束流1 250 mA，功率达到27.5 kW。

（3）利用直径2 mm的TC4焊丝进行单层单道熔丝试验，当加速电压-20 kV、束流260 mA、工作台移动速度310 mm/s、送丝速度30 mm/s时，熔丝成形质量较好。

参考文献：

Lore Thijs，Frederik Verhaeghe，Tom Craeghs，et al. A study of the microstructural evolution during selective laser melting of Ti-6Al-4V[J]. Acta Materialia，2010，58（9）：3303-3312.

Simonelli M，Tse Y Y，Tuck C. Effect of the build orientation on the mechanical properties and fracture modes of SLM Ti-6Al-4V[J]. Materials Science and Engineering：A，2014（616）：1-11.

Xue zhi Shi，Shu yuan Ma，Chang meng Liu，et al. Selective laser melting-wire arc additive manufacturing hybrid fabrication of Ti-6Al-4V alloy：Microstructure and mechanical properties[J]. Materials Science and Engineering：A，2017（684）：196-204.

Neng Li，Shuai Huang，Guodong Zhang，et al. Progress in additive manufacturing on new materials：A review[J]. Journal of Materials Science & Technology，2019，35（2）：242-269.

Sheng Cao，Qiaodan Hu，Aijun Huang，et al. Static coarsening behaviour of lamellar microstructure in selective laser melted Ti-6Al-4V[J]. Journal of Materials Science & Technology，2019，35（8）：1578-1586.

Tao Sun，Yan Liu，Shu-Jun Li，et al. Effect of HIP Treatment on Fatigue Notch Sensitivity of Ti-6Al-4V Alloy Fabricated by Electron Beam Melting[J]. Acta Metallurgica Sinica-English Letters，2019（32）：869-875.

陈国庆，树西，张秉刚，等. 国内外电子束熔丝沉积增材制造技术发展现状[J]. 焊接学报，2018，39（8）：123-128，134.

TAMINGER K M B，HAFLEY R A，DICUS D L. Solid freeform fabrication：aneabling technology for future space mis-sions[C]. Proceedings of 2002 International Conference on Metal Powder Deposition for RapidManufacturing. San Antonio：Metal Powder Industries Federation，2002.

王廷，王一帆，魏连峰，等. TC4 钛合金低压电子束熔丝沉积层组织与性能[J].焊接学报，2020，41（10）：54-59.

陈哲源，锁红波，李晋炜. 电子束熔丝沉积快速制造成型技术与组织特征[J]. 航天制造技术，2010（1）：36-39.

TAMINGER K M，HARFLEY R A. Electron beam freeform fabrication：A rapid metal deposition process[C].Society of Plastics Engineers. Proceedings of the 3rd Annual Automotive Composites Conference，Sep. 9-10，2003，NASA Technical Reports Server，2003.

WANG T，ZHANG Y，LI X，et al. Influence of beam current on microstructures and mechanical properties of electron beam welding-brazed aluminum-steel joints with an Al5Si filler wire[J]. Vacuum，2017（141）：281-287.

Dmytro Kovalchuk，Orest Ivasishin，Dmytro Savvakin.Microstructure and Properties of 3D Ti-6Al-4V Articles Produced with Advanced Co-axial Electron Beam & Wire Additive Manufacturing Technology[C]. The 14th World Conference on Titanium，MATEC Web of Conferences 321，03014，2020.

Dmytro Kovalchuk，Orest Ivasishin. Profile electron beam 3D metal printing[M]. Additive Manufacturing for the Aerospace Industry，2019：213-233.

许海鹰，左从进，黄志涛，等.一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置及方法[P].中国：ZL201611184594.1，2016-12-20.

许海鹰，左从进.一种同轴送粉的电子枪装置[P].中国：ZL201810235852.7，2018-03-21.

CST. CST 粒子工作室基礎入门：三维带电粒子动力学仿真[Z]. 上海：上海软波工程软件有限公司，2006.

刘光辉，宋宜梅，刘海浪，等.基于CST 粒子工作室的熔炼电子枪发生系统的仿真[J]. 桂林电子科技大学学报，2016，36（2）：144-147.

桑兴华，许海鹰，左从进，等.电子枪束源部件结构尺寸对束流品质影响的CST仿真[J]. 航空制造技术，2017，60（9）：60-64.