[发明专利]生成电子场的方法

说明书

本申请是申请日为2010年8月10日，申请号为201080048029.7，发明名称为“用于熔化炉的离子等离子电子发射器”的申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请在35 U.S.C.§120下要求2008年3月26日提交的美国专利申请No.12/055,415的优先权并且是美国专利申请No.12/055,415的部分继续申请，而美国专利申请No.12/055,415在35 U.S.C.§119(e)下要求2007年3月30日提交的美国临时专利申请No.60/909,118的优先权。这两个提及的在先申请均通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开涉及用于熔化金属和金属合金(以下称为“合金”)的设备和技术。本公开更具体地说涉及利用电子来熔化或者加热合金和/或形成在熔融合金内的冷凝物的设备和技术。

背景技术

合金熔化过程涉及制备适当材料的炉料然后熔化炉料。熔融的炉料或者“熔体”然后可以被精炼和/或处理，以改变熔体化学性质，从熔体中去除不想要的成分，和/或影响由熔体铸成的制品的显微结构。熔化炉通过电力或者通过化石燃料的燃烧供给能量，并且适当设备的选择受到相对成本和可适用的环境规制以及被制备材料的特征的极大影响。目前可获得多种不同的熔化技术和设备。熔化技术的一般类别包括例如感应熔化(包括真空感应熔化)、电弧熔化(包括真空电弧凝壳熔化)、坩锅熔化和电子束熔化。

电子束熔化通常涉及利用热离子电子束枪来生成高能量大致线性的电子流，这些电子流用于加热标靶材料。热离子电子束枪通过向丝极供送电流进行操作，从而加热丝极至高温，并使电子“沸腾”脱离丝极。从丝极生成的电子然后被聚焦，并以非常窄的大致线性的电子束的形式朝标靶加速。一种离子等离子电子束枪也已用于制备合金熔体。具体说，在V.A.Chernov的“Powerful High-Voltage Glow Discharge Electron Gun and Power Unit on Its Base”1994年Electron Beam Melting的国际会议(Reno,Nevada)，第259-267页中描述的“辉光放电”电子束枪，已被并入可从乌克兰基辅Antares获得的某些熔化炉中。这种装置通过生成包括阳离子的冷等离子进行操作，所述阳离子轰击阴极并生成电子，所述电子被聚焦以形成大致线性的电子束。

通过前述类型的电子束枪生成的大致线性的电子束被引导到电子束熔炼炉的真空熔化室中，并入射到待熔化和/或保持在熔融状态的材料上。电子穿过导电材料的传导将它们快速地加热至超过特定熔点的温度。鉴于大致线性的电子束的高能量，其可以是例如约100kW/cm²，线性电子束枪是非常高温的热源，并且能够轻松地超过大致线性的射束入射到其上的材料的熔点，在一些情况下，超过汽化温度。使用磁气偏转或者类似的方向性器件，大致线性的电子束以高频率扫描横跨熔化室内的标靶材料，使被引导的射束横跨宽的区域并且横跨具有多个和复杂形状的标靶。

因为电子束熔化是表面加热方法，它通常只生成浅的熔池，其就限制铸锭中的缩松和偏析而言是有利的。因为由电子束生成的过热金属池处于炉子熔化室的高真空环境内，所以该技术也有益地趋向于对熔融材料除气。此外，合金内具有比较高的蒸汽压的不想要的金属和非金属组分可以选择性地在熔化室中蒸发掉，从而改进合金纯度。另一方面，则必须考虑到由高聚焦的大致线性的电子束造成的想要组分的蒸发。不想要的蒸发必须被纳入生产的考虑中，并且可能在使用电子束熔炼炉时显著地复杂化合金生产。

各种熔化和精炼方法涉及使用热离子电子枪对供给坯料进行电子束熔化。吹灰熔炼是一种在热离子电子束枪熔化炉中使用的用于处理例如钽和铌等耐火金属的经典方法。呈棒材形式的原料通常被供给到炉室中，并且聚焦在棒材上的线性电子束将材料直接滴熔进静态或者拉拔模具(withdrawal mold)中。当在拉拔模具中铸造时，通过抽拔铸锭底部，在生长的铸锭的顶部上维持液池水平。所供给的材料作为上述除气和选择性蒸发现象的结果得到精炼。