Ионно-плазменные излучатели электронов для плавильной печи

Ионно-плазменные излучатели электронов для плавильной печи

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестная ссылка на родственные заявки

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет согласно разделу 35 Свода законов США, § 120, и является частичным продолжением заявки на патент США с порядковым № 12/055415, поданной 26 марта 2008 г., которая испрашивает приоритет согласно разделу 35 Свода законов США, § 119(е), предварительной заявки на патент США с порядковым № 60/909118, поданной 30 марта 2007 г. Обе из указанных ранее поданных заявок включены сюда по ссылке во всей их полноте.

Основы технологии

Область техники

[0002] Изобретение относится к оборудованию и методам для плавления металлов и металлических сплавов (в дальнейшем "сплавов"). Более конкретно, настоящее изобретение относится к оборудованию и методам с использованием электронов для плавления или нагревания сплавов и/или конденсата, образовавшегося внутри расплавленных сплавов.

Описание уровня техники

[0003] Процесс плавления сплава включает приготовление шихты из подходящих материалов и затем плавление шихты. Расплавленная шихта или "расплав" затем может быть рафинирована и/или обработана, чтобы модифицировать химию расплава, удалить нежелательные компоненты из расплава и/или воздействовать на микроструктуру изделий, отливаемых из расплава. Плавильные печи работают либо на электроэнергии, либо на сжигании ископаемых топлив, и выбор подходящего устройства в значительной степени зависит от относительной стоимости и применяемых экологических нормативов, а также от характера приготавливаемого материала. Сегодня доступно множество методов плавки и плавильных устройств. Общие классы методов плавки включают, например, индукционную плавку (включая вакуумную индукционную плавку), дуговую плавку (включая вакуумно-дуговую гарнисажную плавку), тигельную плавку и электронно-лучевую плавку.

[0004] Электронно-лучевая плавка обычно включает использование термоионных электронно-лучевых пушек для генерирования высокоэнергетических, по существу линейных потоков электронов, которые используются для нагревания материалов-мишеней. Термоионные электронно-лучевые пушки работают посредством пропускания тока по нити накала, тем самым нагревая нить накала до высокой температуры и вызывая "выкипание" электронов из нити накала. Генерируемые электроны из нити накала затем фокусируются и ускоряются к мишени в форме очень узкого, по существу линейного электронного луча. Ионно-плазменную электронно-лучевую пушку одного типа также использовали для получения расплавов сплавов. В частности, электронно-лучевая пушка "тлеющего разряда", описанная в докладе В.A. Чернова "Мощная высоковольтная электронная пушка тлеющего разряда и силовой блок на ее основе" на Международной конференции по электронно-лучевой плавке 1994 года (Рено, Невада), стр. 259-267, была встроена в некоторые плавильные печи, доступные от компании «Антарес», г. Киев, Украина. Такие устройства работают за счет получения холодной плазмы с катионами, которые бомбардируют катод и производят электроны, которые фокусируются с образованием по существу линейного электронного луча.

[0005] По существу линейные электронные лучи, производимые существующими типами электронно-лучевых пушек, направляются в вакуумированную плавильную камеру электронно-лучевой плавильной печи и падают на материалы, которые необходимо плавить и/или поддерживать в расплавленном состоянии. Проводимость электронов через электропроводящие материалы быстро нагревает их до температуры свыше их конкретной температуры плавления. Обладая высокой энергией по существу линейных электронных лучей, которая может составлять, например, примерно 100 кВт/см², линейные электронно-лучевые пушки являются источниками тепла с очень высокой температурой и способны легко превышать температуры плавления и, в некоторых случаях, испарения материалов, на которые падают эти по существу линейные лучи. Используя магнитное отклонение или подобные направляющие средства, по существу линейными электронными лучами сканируют с высокой частотой по материалам-мишеням внутри плавильной камеры, что позволяет направлять луч по обширной зоне и по мишеням, имеющим различные и сложные формы.

[0006] Поскольку электронно-лучевая плавка является способом нагревания поверхности, она обычно дает лишь мелкую ванну расплава, что может быть выгодным с точки зрения ограничения пористости и сегрегации в отлитом слитке. Поскольку перегретая ванна жидкого металла, производимая электронным лучом, расположена внутри вакуумной среды плавильной камеры печи, этот метод также имеет полезную тенденцию дегазировать расплавленный материал. Кроме того, нежелательные металлические и неметаллические составляющие в сплаве, имеющие относительно высокие давления паров, могут быть выборочно испарены в плавильной камере, тем самым повышая чистоту сплава. С другой стороны, следует учитывать испарение желательных составляющих, производимое сильно сфокусированным, по существу линейным электронным лучом. Нежелательное испарение должно учитываться в производстве и может значительно усложнить производство сплава при использовании электронно-лучевых плавильных печей.

[0007] Различные способы плавления и рафинирования включают электронно-лучевую плавку исходного сырья с использованием термоионных электронных пушек. Капельная плавка является классическим способом, используемым в плавильных печах с термоионными электронно-лучевыми пушками для обработки тугоплавких металлов, таких как, например, тантал и ниобий. Исходный материал в виде прутка обычно подают в камеру печи, и сфокусированный на прутке линейный электронный луч капельно плавит материал непосредственно в стационарный или вытяжной кристаллизатор. При литье в вытяжной кристаллизатор уровень ванны жидкого металла поддерживается наверху растущего слитка посредством отодвигания (вытягивания) основания слитка. Исходный материал рафинируется в результате описанных выше явлений дегазации и избирательного испарения.

[0008] Метод электронно-лучевой холодноподовой плавки обычно используют при обработке и переработке химически активных металлов и сплавов. Сырье подвергают капельной плавке при падении по существу линейного электронного луча на конец прутка сырья. Расплавленное сырье капает в концевую зону водоохлаждаемого медного пода, образуя защитный гарнисаж. По мере того как расплавленный материал собирается в поде, он переливается и падает под действием силы тяжести в вытяжной кристаллизатор или другое литейное устройство. Во время выдержки расплавленного материала внутри пода по существу линейными электронными лучами быстро сканируют по поверхности материала, поддерживая его в расплавленном виде. Это также дает эффекты дегазации и рафинирования расплавленного материала посредством испарения компонентов с высоким давлением паров. Под также может быть выполнен с такими размерами, чтобы содействовать гравитационному разделению между твердыми включениями с низкой плотностью и высокой плотностью, при котором оксидные и другие включения относительно низкой плотности остаются в расплавленном металле в течение времени, достаточного для обеспечения растворения, в то время как частицы высокой плотности оседают на дно и задерживаются в гарнисаже.

[0009] Принимая во внимание различные преимущества традиционных методов электронно-лучевой плавки, было бы выгодно дополнительно усовершенствовать эту технологию.

Сущность изобретения

[0010] Согласно одному неограничивающему аспекту настоящего изобретения описано устройство для плавления электропроводящего металлического материала. Устройство содержит вакуумную камеру, расположенный в вакуумной камере под и по меньшей мере один ионно-плазменный излучатель электронов, расположенный в вакуумной камере или смежно с ней и размещенный для направления первого поля электронов, имеющего первую площадь поперечного сечения, в вакуумную камеру. Первое поле электронов имеет достаточную энергию для нагревания электропроводящего металлического материала до его температуры плавления. Устройство дополнительно содержит по меньшей мере одно из кристаллизатора и распылительного устройства, размещенного для приема электропроводящего металлического материала из пода, и вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов, расположенный в вакуумной камере или смежно с ней и размещенный для направления второго поля электронов, имеющего вторую площадь поперечного сечения, в вакуумную камеру. Второе поле электронов имеет достаточную энергию для по меньшей мере одного из нагревания частей электропроводящего металлического материала до по меньшей мере его температуры плавления, плавления любого твердого конденсата внутри электропроводящего металлического материала и подачи тепла в зоны образующегося слитка. Первая площадь поперечного сечения первого поля электронов отличается от второй площади поперечного сечения второго поля электронов. Второе поле электронов, испускаемых вспомогательным ионно-плазменным излучателем электронов, является ориентируемым.

[0011] Согласно другому неограничивающему аспекту настоящего изобретения описано устройство для плавления электропроводящего металлического материала. Устройство содержит вакуумную камеру, расположенный в вакуумной камере под и плавильное приспособление, выполненное с возможностью плавления электропроводящего металлического материала. Устройство дополнительно содержит по меньшей мере одно из кристаллизатора и распылительного устройства, размещенного для приема расплавленного электропроводящего металлического материала из пода, и вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов, расположенный в вакуумной камере или смежно с ней и размещенный для направления сфокусированного поля электронов, имеющего площадь поперечного сечения, в вакуумную камеру. Сфокусированное поле электронов имеет достаточную энергию для по меньшей мере одного из плавления частей электропроводящего металлического материала, плавления твердого конденсата внутри электропроводящего металлического материала и нагревания зон затвердевающего слитка. Сфокусированное поле электронов является ориентируемым для направления сфокусированного поля электронов к по меньшей мере одному из частей электропроводящего металлического материала, твердого конденсата и затвердевающего слитка.

[0012] Согласно еще одному неограничивающему аспекту настоящего изобретения описано устройство для плавления электропроводящего металлического материала. Устройство содержит вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов, выполненный с возможностью создания сфокусированного поля электронов с профилем поперечного сечения, имеющим первую форму. Устройство дополнительно содержит систему ориентирования, выполненную с возможностью направления сфокусированного поля электронов для падения сфокусированного поля электронов на по меньшей мере часть электропроводящего металлического материала для по меньшей мере одного из плавления любых затвердевших частей электропроводящего металлического материала, плавления любого твердого конденсата внутри электропроводящего металлического материала и подачи тепла в зоны образующегося слитка.

[0013] Согласно другому дополнительному аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ обработки материала. Способ содержит введение материала, содержащего по меньшей мере один из металла и металлического сплава, в камеру печи, поддерживаемую при низком давлении относительно атмосферного давления, и генерирование первого поля электронов, имеющего первую площадь поперечного сечения, с использованием по меньшей мере первого ионно-плазменного излучателя электронов. Способ дополнительно содержит подвергание материала внутри камеры печи воздействию первого поля электронов для нагревания материала до температуры выше температуры плавления этого материала и генерирование второго поля электронов, имеющего вторую площадь поперечного сечения, с использованием второго ионно-плазменного излучателя электронов. Способ дополнительно содержит подвергание по меньшей мере одного из любого твердого конденсата внутри материала, любых затвердевших частей материала и зон затвердевающего слитка воздействию второго поля электронов с использованием системы ориентирования для плавления или нагревания по меньшей мере одного из твердого конденсата, затвердевших частей и зон затвердевающего слитка. Первая площадь поперечного сечения первого поля электронов отличается от второй площади поперечного сечения второго поля электронов.

[0014] Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен способ обработки материала. Способ содержит введение материала, содержащего по меньшей мере один из металла и металлического сплава, в камеру печи, поддерживаемую при низком давлении относительно атмосферного давления, и подвергание материала внутри камеры печи воздействию плавильного приспособления, выполненного с возможностью нагревания материала до температуры выше температуры плавления этого материала. Способ дополнительно содержит генерирование сфокусированного поля электронов с использованием вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов и подвергание по меньшей мере одного из любого твердого конденсата внутри материала, любых затвердевших частей материала и зон затвердевающего слитка воздействию сфокусированного поля электронов с использованием системы ориентирования для плавления или нагревания по меньшей мере одного из твердого конденсата, затвердевших частей и зон затвердевающего слитка.

[0015] Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ обработки материала. Способ содержит генерирование сфокусированного поля электронов с профилем поперечного сечения, имеющим первую форму, с использованием вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов, и ориентирование сфокусированного поля электронов для падения сфокусированного поля электронов на материал и плавления или нагревания по меньшей мере одного из любого твердого конденсата внутри материала, любых затвердевших частей материала и зон затвердевающего слитка.

[0016] Согласно другому аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ генерирования поля электронов для плавления электропроводящего материала внутри плавильной печи. Способ содержит обеспечение анода, имеющего первую нелинейную форму, подачу напряжения на анод и получение плазмы, содержащей положительные катионы, на аноде. Способ дополнительно содержит обеспечение катода, имеющего вторую форму, размещение катода относительно анода и подачу напряжения на катод. Напряжение приспособлено для придания катоду отрицательного заряда. Способ дополнительно содержит ускорение положительных катионов к катоду для генерирования свободных вторичных электронов и формирование поля электронов с использованием свободных вторичных электронов. Поле электронов имеет профиль поперечного сечения с третьей формой. Третья форма соответствует первой нелинейной форме анода.

Краткое описание чертежей

[0017] Признаки и преимущества описанных здесь устройств и способов могут быть лучше поняты при обращении к прилагаемым чертежам, на которых:

[0018] фиг. 1 - схематическая иллюстрация в сечении варианта реализации обычной плавильной печи с термоионной электронно-лучевой пушкой;

[0019] фиг. 2 - упрощенное изображение некоторых компонентов варианта реализации проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов;

[0020] фиг. 3 - схематическая иллюстрация в сечении одного неограничивающего варианта реализации электронно-лучевой плавильной печи с холодным подом, включающей множественные проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов согласно настоящему изобретению;

[0021] фиг. 4 - схематическая иллюстрация одного неограничивающего варианта реализации проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов;

[0022] фиг. 5 - схематическая иллюстрация одного неограничивающего варианта реализации согласно настоящему изобретению электронно-лучевой плавильной печи, включающей в качестве источника электронов проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов;

[0023] фиг. 6 - вид в перспективе, частично в сечении, одного неограничивающего варианта реализации проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов, который может быть приспособлен для использования в электронно-лучевой плавильной печи согласно настоящему изобретению;

[0024] фиг. 7 - схема, иллюстрирующая работу проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов, показанного на фиг. 6;

[0025] фиг. 8 - схематическая иллюстрация в сечении одного варианта реализации электронно-лучевой плавильной печи с холодным подом согласно настоящему изобретению;

[0026] фиг. 9 - схематическая иллюстрация в сечении одного неограничивающего варианта реализации электронно-лучевой плавильной печи с холодным подом, включающей множественные ионно-плазменные излучатели электронов и вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов согласно настоящему изобретению;

[0027] фиг. 10 - схематическая иллюстрация в сечении одного неограничивающего варианта реализации электронно-лучевой плавильной печи с холодным подом, включающей вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов согласно настоящему изобретению;

[0028] фиг. 11 - схематическая иллюстрация одного неограничивающего варианта реализации системы ориентирования для вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов согласно настоящему изобретению;

[0029] фиг. 12 - схематическая иллюстрация сверху одного неограничивающего варианта реализации системы ориентирования для вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов согласно настоящему изобретению;

[0030] фиг. 13 - схематическая иллюстрация на виде сверху одного неограничивающего варианта реализации вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов согласно настоящему изобретению;

[0031] фиг. 14 - другая схематическая иллюстрация на виде сверху одного неограничивающего варианта реализации вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов согласно настоящему изобретению;

[0032] фиг. 15 - еще одна схематическая иллюстрация на виде сверху одного неограничивающего варианта реализации вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов согласно настоящему изобретению.

[0033] Читатель сможет оценить указанные выше, а также другие подробности при рассмотрении нижеследующего подробного описания некоторых неограничивающих вариантов реализации устройств и способов согласно настоящему изобретению. Читатель также может понять некоторые из таких дополнительных подробностей при осуществлении или использовании описанных здесь устройств и способов.

Подробное описание некоторых неограничивающих вариантов реализации

[0034] В данном описании неограничивающих вариантов реализации изобретения, кроме рабочих примеров или где указано иное, все числа, выражающие количества или характеристики ингредиентов и продуктов, условий обработки и т.п., следует понимать как модифицированные во всех случаях термином «примерно». Соответственно, если не указано иное, любые численные параметры, приведенные в нижеследующем описании, являются приближенными величинами, которые могут изменяться в зависимости от желательных свойств, которые требуется получить в устройстве и способах согласно настоящему изобретению. Наконец и не в качестве попытки ограничить применение доктрины эквивалентов к объему формулы изобретения, каждый численный параметр должен быть по меньшей мере истолкован в свете числа указанных значащих цифр и с применением обычных методик округления.

[0035] Любой патент, публикация или другой материал раскрытия, полностью или частично, который указан как включенный сюда по ссылке, включен сюда лишь в той степени, в какой включенный материал не противоречит существующим определениям, формулировкам или другим материалам раскрытия, изложенным в этом описании. Как таковое и до необходимых пределов, приведенное здесь раскрытие заменяет собой любой противоречащий материал, включенный сюда по ссылке. Любой материал или его часть, которая указана как включенная сюда по ссылке, но которая противоречит существующим определениям, формулировкам или другим приведенным здесь материалам раскрытия, включена только в той степени, которая не создает противоречия между включенным материалом и имеющимся материалом раскрытия.

[0036] Настоящее изобретение отчасти направлено на улучшенную конструкцию электронно-лучевой печи для плавления металлов и металлических сплавов и/или для поддержания материалов в расплавленном состоянии для использования при изготовлении металлических отливок или порошков. Обычная плавильная печь с термоионной электронно-лучевой пушкой схематично показана на фиг. 1. Печь 110 включает в себя вакуумную камеру 114, окруженную стенкой 115 камеры. Множественные термоионные электронно-лучевые пушки 116 размещены снаружи камеры 114 и смежно с ней и направляют отдельные линейные электронные лучи 118 в камеру 114. Исходный материал в виде металлического прутка 120 и легирующего порошка 122 вводят в камеру 114 обычным подающим пруток приспособлением (питателем) 119 и обычным подающим частицы или гранулы приспособлением (питателем) 117 соответственно. Линейный электронный луч 118 одной из электронно-лучевых пушек 116 падает на конец прутка 120 и плавит его, и получившийся расплавленный сплав 124 стекает в водоохлаждаемый медный рафинирующий под 126 ("холодный под") внутри камеры 114. Термоионные электронно-лучевые пушки 116 имеют обычную конструкцию и генерируют электроны посредством нагревания подходящего материала нити накала. Пушки 116 фокусируют генерируемые электроны в точку, и эти электроны выбрасываются из пушек 116 в виде плотно сфокусированного, по существу линейного луча. Таким образом, выбрасываемые из пушек 116 электроны по существу падают на мишень как точечный источник. Нагревание мишени точечным источником электронов облегчается сканированием (растрированием) линейных электронных лучей 118 по по меньшей мере части мишеней, подобно режиму сканирования электронов по люминофорному экрану электронно-лучевой трубки телевизора. Сканирование по существу линейным электронным лучом 118 термоионной электронно-лучевой пушки 116 по концевой зоне прутка 120, например, плавит пруток 120.

[0037] Обращаясь далее к фиг. 1, жидкий сплав 124, наплавленный в поде 126, поддерживается в расплавленном состоянии сканированием некоторых из по существу линейных электронных лучей 118 по поверхности жидкого сплава 124 с заданным и запрограммированным рисунком (растром). Порошковые или гранулированные легирующие материалы 122, вводимые в жидкий сплав 124 питателем 117, входят в состав расплавленного материала. Жидкий сплав 124 продвигается по поду 126 и стекает с пода под действием силы тяжести в медный вытяжной кристаллизатор 130. Вытяжной кристаллизатор 130 включает в себя выполненное с возможностью возвратно-поступательного движения основание 134 для того, чтобы вмещать длину растущего слитка 132. Жидкий сплав 124 первоначально собирается в вытяжном кристаллизаторе 130 в виде ванны 131 расплава и постепенно затвердевает (кристаллизуется) в слиток 132. Столкновение электронов с ванной 131 расплава посредством сканирования одним или более из по существу линейных электронных лучей 118 по поверхности ванны выгодным образом поддерживает зоны ванны 131, особенно на краях ванны, в расплавленном состоянии.

[0038] В печах с использованием одного или более по существу линейных электронных лучей для нагревания материала в камере печи, такой как обычная плавильная печь с термоионной электронно-лучевой пушкой, сплавы, включающие летучие элементы, т.е. элементы с относительно высоким давлением паров при температурах плавления в печи, склонны выпариваться из ванны расплава и конденсироваться на относительно холодных стенках камеры печи. (Обычные легирующие элементы, имеющие относительно высокие давления паров при температурах, обычно достигаемых при плавлении электронным лучом, включают, например, алюминий и хром.) Технология плавки по существу линейным электронным лучом является особенно способствующей испарению, что является значительным недостатком обычных электронно-лучевых печей при сплавлении (легировании), в противоположность рафинированию или очистке, из-за по меньшей мере двух причин. Во-первых, общий и локальный химический состав сплава становится трудно контролировать во время плавления из-за неизбежных потерь сильно летучих элементов из ванны расплава. Во-вторых, конденсат испаренных элементов имеет тенденцию со временем накапливаться на стенках печи и может падать обратно в расплав, тем самым загрязняя расплав включениями и производя локализованные изменения химического состава расплава.

[0039] Не намереваясь быть связанными какой-либо конкретной теорией, авторы изобретения полагают, что приведенные выше недостатки обычных электронно-лучевых плавильных печей следуют из действия обычных по существу линейных электронных лучей на материалы, обрабатываемые внутри электронно-лучевых печей. Как предполагалось выше в связи с описанием фиг. 1, в обычной технологии электронно-лучевой холодноподовой плавки используются по существу линейные электронные лучи как для плавления введенных в печь исходных материалов, так и для поддержания температуры расплавленного материала по мере того, как он протекает вдоль и поверх холодного пода и в литейную форму (кристаллизатор). Такие печи обычно включают множественные источники электронных лучей, причем каждый источник дает по существу линейный электронный луч, который является по существу точечным источником. Этими "точками" интенсивной концентрации электронов необходимо быстро сканировать по подлежащим нагреву площадям так, чтобы средняя температура, необходимая для расплавления материала и позволяющая расплавленному материалу адекватно протекать, достигалась по всей площади мишени. Однако из-за точечной природы источника линейных электронных лучей то пятно, на котором электронный луч падает на сплав, нагревается до чрезвычайно высокой температуры. Это явление локализованного интенсивного нагрева может наблюдаться как видимое белое излучение, испускаемое из того конкретного пятна, на котором электронный луч падает на твердый или жидкий сплав внутри печи. Представляется, что эффект интенсивного перегрева, который происходит в этих пятнах, наряду с высоким вакуумом, поддерживаемым в камере печи, легко выпаривает относительно летучие элементы в сплаве, что приводит к избыточному испарению летучих элементов и конденсации загрязнений на стенках камеры. Как указано выше, такая конденсация вызывает риск загрязнения ванны, так как конденсированный материал падает обратно в жидкий сплав, и это может приводить, например, к заметным неоднородностям состава в отлитых слитках.

[0040] Описанная здесь усовершенствованная конструкция электронно-лучевой плавильной печи предусматривает использование одного или более ионно-плазменных излучателей электронов, таких как проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов, например, в качестве по меньшей мере части источника электронов в такой печи. И хотя в качестве примерных ионно-плазменных излучателей электронов здесь раскрыты проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов, будет понятно, что согласно настоящему изобретению могут использоваться и другие подходящие ионно-плазменные излучатели электронов (например, непроволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов), как описано более подробно ниже. Используемые здесь термины "ионно-плазменный излучатель электронов" ("ion plasma electron emitter") и "проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов" ("wire-discharge ion plasma electron emitter") относятся к устройству, которое создает относительно широкое, нелинейное поле электронов посредством столкновения положительно заряженных ионов с катодом и тем самым выделения поля вторичных электронов из катода. Электронный луч, созданный ионно-плазменным излучателем электронов, не является линейным лучом, а вместо этого является трехмерным полем или "широким потоком" электронов, который при столкновении с мишенью покрывает двумерную область (зону), которая является очень большой по отношению к малому пятну, покрываемому при падении на мишень по существу линейного электронного луча. Как таковое, поле электронов, производимое ионно-плазменными излучателями электронов, называется здесь "обширным" полем электронов по сравнению с относительно намного меньшей точкой контакта, создаваемой обычными электронными пушками, используемыми в электронно-лучевых плавильных печах. Проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов известны в технике (для использования по не относящимся к данной области техники назначениям) и называются по-разному, например "проволочными ионно-плазменными электронными" пушками или излучателями ("wire ion plasma (WIP) electron" guns or emitters), просто "WIP электронными" пушками или излучателями и, несколько вводя в заблуждение, "линейными излучателями электронного луча" (указывая на линейную природу производящего плазму проволочного электрода(ов) в рамках некоторых вариантов реализации устройств).

[0041] Проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов доступны со множеством конструкций, но все такие излучатели обладают некоторыми общими фундаментальными конструктивными признаками. Каждый такой излучатель включает в себя плазменную или ионизационную зону, включающую источник положительных ионов в виде удлиненного проволочного анода для создания содержащей катионы плазмы, и катод, который отнесен от проволоки и размещен для перехватывания (задерживания) генерируемых проволокой положительных ионов. На катод подается большое отрицательное напряжение, вызывающее ускорение доли положительных ионов в плазме, генерируемой проволочным источником положительных ионов, к поверхности катода и столкновение с ней таким образом, что из катода испускаются вторичные электроны ("первичные" электроны присутствуют внутри плазмы наряду с положительными ионами). Вторичные электроны, полученные из поверхности катода, формируют нелинейное поле электронов, которое обычно имеет трехмерную форму плазмы положительных ионов, падающей на катод. Вторичные электроны затем ускоряются от положения вблизи катода назад к аноду, испытывая несколько столкновений в процессе прохождения через газ низкого давления внутри излучателя. Благодаря надлежащему конструированию и расположению различных компонентов проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов, на катоде может быть сформировано широкое поле быстрых вторичных электронов и ускорено от излучателя к мишени. На фиг. 2 показано упрощенное изображение компонентов проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов, в котором ток подается к тонкому проволочному аноду 12 для генерирования плазмы 14. Положительные ионы 16 внутри плазмы 14 ускоряются к отрицательно заряженному катоду 18 и сталкиваются с ним, высвобождая обширное облако 20 вторичных электронов, которое ускоряется в направлении анода 12 под действием электрического поля между электродами и к мишени.

[0042] В соответствии с одним неограничивающим вариантом реализации согласно настоящему изобретению, устройство для плавления электропроводящего металлического материала в виде электронно-лучевой плавильной печи включает в себя вакуумную камеру (плавильную камеру) и под, расположенный в вакуумной камере и приспособленный для удержания расплавленного материала. По меньшей мере один проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов расположен в вакуумной камере или смежно с ней и размещен для направления нелинейного, обширного поля электронов, генерируемых излучателем, в камеру. Проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов производит нелинейное поле электронов, имеющее достаточную энергию для нагревания электропроводящего металлического материала до его температуры плавления. Кристаллизатор или другое литейное или распылительное устройство расположено в сообщении с камерой и размещено и приспособлено для приема материала из пода. Печь может использоваться для плавки любого материала, который может быть расплавлен с использованием обычной электронно-лучевой плавильной печи, такого как, например, титан, титановые сплавы, вольфрам, ниобий, тантал, платина, палладий, цирконий, иридий, никель, сплавы на основе никеля, железо, сплавы на основе железа, кобальт и сплавы на основе кобальта.

[0043] Варианты реализации электронно-лучевой плавильной печи согласно настоящему изобретению могут включать одно или более приспособлений для подачи материала (питателей), приспособленных для введения электропроводящих материалов или других легирующих добавок в вакуумную камеру. Предпочтительно, питатели вводят материалы в вакуумную камеру в положении выше или над по меньшей мере одной зоной пода так, что сила тяжести будет обеспечивать падение материалов, в твердой или жидкой форме, вниз и в под. Типы питателей могут включать, например, питатели прутка и питатели проволоки, и выбранный тип питателя будет зависеть от конкретных требований к конструкции печи. В некоторых вариантах реализации печи согласно настоящему изобретению питатель материала и по меньшей мере один из упомянутых одного или более проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов печи расположены так, что поле электронов, испускаемых проволочно-разрядным ионно-плазменным излучателем электронов, по меньшей мере частично падает на материал, вводимый в камеру питателем. Если материал, который вводится в вакуумную камеру питателем, является электропроводящим, то поле электронов, если оно обладает достаточной силой, будет нагревать и плавить материал.

[0044] Под, включенный в варианты реализации плавильной печи согласно настоящему изобретению, может быть выбран из различных типов подов, известных в данной области техники. Например, печь может быть по своему характеру электронно-лучевой плавильной печью с холодным подом, включающей холодный под или, более конкретно, например, водоохлаждаемый медный холодный под в вакуумной камере. Как известно средним специалистам, холодный под включает охлаждающее средство, вызывающее застывание расплавленного материала внутри пода на поверхности пода и образование на нем защитного слоя. В качестве другого примера, под может быть "автогенным" подом, который является подом, который покрыт сплавом или изготовлен из сплава, который плавят в печи, и в таком случае донная поверхность пода также может быть снабжена водяным охлаждением для предотвращения прогорания.

[0045] Конкретный под, включенный в вакуумную камеру, может включать зону удержания расплавленного материала, в которой расплавленный материал находится в течение некоторого времени выдержки перед прохождением к литейному или распылительному устройству, проточно сообщающемуся с вакуумной камерой. В некоторых вариантах реализации печи согласно настоящему изобретению под и по меньшей мере один из упомянутых одного или более проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов печи расположены так, что поле электронов, испускаемое проволочно-разрядным ионно-плазменным излучателем электронов, по меньшей мере частично падает на зону удержания расплавленного материала. Таким образом, поле электронов может применяться для поддержания материала внутри зоны удержания расплавленного материала в расплавленном состоянии и нагревающее действие поля электронов может также служить дегазации и рафинированию расплавленного материала.

[0046] Некот