[发明专利]一种电子枪及应用于其的电子束选区熔化装置

说明书

技术领域

本发明可用于金属零部件的增材制造领域，特别涉及一种电子枪及应用于其的电子束选区熔化装置。

背景技术

增材制造技术又名3D打印或者快速成形技术。它是一种以三维数字模型文件为基础，运用金属粉末、金属丝材或可粘合性塑料等材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。金属增材制造方法主要有激光选区烧结、激光选区熔化、电子束熔丝成形、电子束选区熔化成形等方法。其中，电子束选区熔化成形和激光选区熔化属于粉末床快速成型制造方法。粉末床快速成型方向相比其他快速成型技术相比具有零件尺寸精度高、表面质量好的优点，是快速成型技术发展的主要方向之一。

电子束选区熔化成形利用电子枪发射电子使金属粉末快速熔化、快速凝固制造出三维实体金属零件。原理是通过高压电场产生高速运动的电子轰击金属粉末层，高能量电子和金属粉末相互作用后动能转化为热能使金属熔化。

但是电子的高速运动在粉床熔融过程中会带来不利的影响。高速运动电子轰击金属粉末时会出现严重的粉末溃散现象。这种金属粉末的溃散，影响打印件尺寸精度，甚至会导致无法成形、烧穿基板等。通常采用工艺优化的方法解决以上问题，即：增加金属粉层预热工艺或者选用粒度较大的金属粉末。但这种解决方式会增加工艺步骤、降低成型件尺寸精度。最直接的解决办法即是通过设备改进，通过电子束的精确控制来减小制造过程中的粉末溃散的问题。降低电子的运动速度、减小电子作用在金属粉末上的动能是设备改进的关键点所在，但是加速电压降低会导致电子束聚焦难度增大，束斑尺寸相应变大。

如图1所示，电子枪是由阴极、阳极、栅极及一级聚焦磁线圈构成，是电子束产生、发射、汇聚的装置。电子枪工作原理:阴极加热到一定温度后热电子被激发出来，在阴阳极间的电势差下加速运动穿过阳极后进入磁场，并在一级磁场作用下实现电子汇聚的过程。但聚焦仅存在在一定的射程范围内，超出后电子束会发散。而且，由于热初速等原因，在低加速电压下，电子束发散更加严重、聚焦困难。电子枪的一级聚焦线圈，尽管汇聚能很强，但由于会聚焦角大，很难做到在较低的电压下仍然能够精确聚焦，得到很小直径的束斑；同时也无法保证偏转角度较大时电子束的束斑品质符合电子束增材制造的需要。高电压条件下，电子束聚焦相对容易控制。但是高加速电压下产生的高速运动电子，在轰击金属粉床时会产生大动能，造成金属粉末的溃散从而影响成型精度。

发明内容

为了解决现有技术的上述问题，有必要提供一种既可以避免电子轰击金属粉末时造成的粉末溃散又能细化电子束束斑直径的电子枪。

本发明还提供一种采用上述电子枪的电子束选区熔化装置。

本发明解决技术问题提供的技术方案是：

一种电子枪，其包括阴极单元、阳极单元、栅极单元和双聚焦线圈单元，

所述阴极单元受热后逸出热电子；

所述栅极单元，用于汇聚所述热电子和控制穿过所述阳极单元的热电子数量；

所述阳极单元设置于所述阴极单元下方，其中心开设有阳极中心孔，所述阳极单元与所述阴极单元之间产生电位差，使所述栅极单元汇聚的热电子加速穿过所述阳极中心孔；

所述双聚焦线圈单元，用于对穿过所述阳极中心孔的热电子进行汇聚，所述双聚焦线圈单元包括一级磁聚焦线圈和二级磁聚焦线圈，所述一级磁聚焦线圈对穿过所述阳极中心孔的热电子进行首次汇聚，得到小会聚角电子束，所述二级磁聚焦线圈对所述小会聚角电子束进行二次聚焦，得到具有精细束斑直径的电子束。

本发明实施例中，所述栅极单元为中心开孔的具有理论弧度的杯型，并完全罩住所述阴极单元。

本发明实施例中，所述栅极单元与所述阴极单元形成负电位差，可通过调节所述负电位差来控制所述热电子穿过所述阳极单元的数量。

本发明实施例中，所述双聚焦线圈单元设置于所述阳极中心孔下方。

本发明实施例中，所述小会聚角电子束的汇聚束斑直径为rz＝(Q1/P)×remin，

其中，Q1为一级聚焦束斑到一级聚焦线圈中心距离；P为阳极孔处聚焦束斑到一级聚焦线圈中心距离，remin为阳极孔处聚焦的电子束半径。

本发明实施例中，所述精细束斑直径的电子束的束斑直径为r＝(Q2/Q1)×rz，

其中，Q2为二级聚焦束斑到二级聚焦线圈中心的距离；Q1为一级聚焦线圈中心与二级聚焦线圈中心的距离。

本发明实施例中，还包括高压电缆接头，所述高压电缆接头用于分别将所述阴极单元和所述栅极单元与高压电源相连接。

本发明实施例中，所述阴极单元设置于所述电子枪最上方。