Surface Layer Modification by Large-Area Pulsed Electron Beams
Renate Fetzer, Alfons Weisenburger, Georg Mueller
In liquid metal technology, steel corrosion is a well-known problem. Dissolution of alloying elements into the liquid metal is prevented by the formation of a protective oxide layer on the steel surface. However, in high temperature applications, oxide layers grow fast, become brittle, and might spall. This can be avoided by surface coatings containing strong oxide formers such as Al in FeCrAl alloys. In order to guarantee long-term stability of the coating, pulsed electron beams are used to melt the coating, together with a few micrometers of the steel surface. Mixing of coating and steel and rapid solidification of the melt lead to a dense surface alloy with metallic bonding to the steel.
For re-melting of metal and metal alloy surface layers, large-area pulsed electron beams with power density 0.5-1.5 MW/cm², electron energy 120 keV and pulse duration 10-50 μs are generated by the GESA facility. Model targets from stainless steel SS 304, aluminum, and copper are used to study the processes of melting, evaporation, melt motion, and re-solidification. Profilometer measurements of the target topography after treatment are presented. The experimental investigations are accompanied by heat transfer simulations including melt motion using the code MEMOS. Although most of the experimental observations are reproduced by the simulations, some phenomena such as liquid splashing, material mixing and the development of surface waviness are not caught by the numerical calculations.
В технологията с течни метали корозията на стомани е добре известен проблем. Разтварянето на сплавяващи елементи е възпрепятстван от образуването на предпазен оксиден слой на повърхността на стоманата. Обаче, при високо- температурните приложения, оксидният слой расте бързо, става крехък и може да се разчупи. Това може да се избегне от повърхностно покритие, съдържащо силни оксидни формирователи, такива като Al в FeCrAl сплави. За да се гарантира дълготрайна стабилност на покритието, се използва импулсен електронен сноп, за да стопи покритието, заедно с няколко микрона от повърхността на стоманата. Смесването на покритието и стоманата и бързото затвърдяване на течния метал води до плътна повърхностна сплав с металически връзки към стоманата.
За претапяне на метала и металния повърхностен слой от сплавта, импулсен електронен сноп с голямо напречно сечение с плътност на мощност 0.5-1.5 MW/cm²,електронна енергия 120 kеV и продължителност на импулсите 10-50 μs се генерират от устройството GESA. Модели на мишени от неръждаема стомана SS 304, алуминий и мед са използвани за изучаване на процесите на топене, изпарение, смесване и повторно затвърдяване. Представени са измервания с профилометър на топографията на мишената след обработка. Експерименталните изследвания са придружени със симулация на топлинните процеси, включително и разбъркването на течния метал с компютърния софтуер MEMOS. Въпреки, че повечето експериментални наблюдения са репродуцирани от симулациите, смесването на материала и развитието на повърхностни вълни не се хващат от числената симулация.
Cite this article as:
Fetzer R., Weisenburger A., Mueller G. Surface layer modification by large-area pulsed electron beams. Journal – Electrotechnica & Electronica (Е+Е), Vol. 49 (5-6), 2014, pp. 216-220, ISSN: 0861-4717 (Print), 2603-5421 (Online)
