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电子束和离子束加工 2 主要内容 电子束加工离子束加工 3 1 概述电子束加工 ElectronBeamMachining简称EBM 起源于德国 1948年德国科学家斯特格瓦发明了第一台电子束加工设备 利用高能量密度的电子束对材料进行工艺处理的一切方法统称为电子束加工 电子束加工 4 电子束加工应用于 电子束焊接 打孔 表面处理 熔炼 镀膜 物理气相沉积 雕刻 铣切 切割以及电子束曝光等 世界上电子束加工技术较先进的国家 德国 日本 美国 俄罗斯以及法国等 经过几十年的发展 目前电子束加工技术已在核工业 航空宇航 精密制造等工业部门广泛应用 5 在真空条件下 利用电子枪中产生的电子经加速 聚焦后能量密度为106 109w cm2的极细束流高速冲击到工件表面上极小的部位 并在几分之一微秒时间内 其能量大部分转换为热能 使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度 致使材料局部熔化或蒸发 来去除材料 电子束加工原理 2 加工原理 6 1 只使材料局部加热就可进行电子束热处理 2 使材料局部熔化就可以进行电子束焊接 3 提高电子束能量密度 使材料熔化和汽化 就可进行打孔 切割等加工 4 利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理 即可进行电子束光刻加工 控制电子束能量密度的大小和能量注入时间 就可以达到不同的加工目的 7 电子束加工装置主要由以下几部分组成 1 电子枪 获得电子束的装置 它包括 电子发射阴极 用钨或钽制成 在加热状态下发射电子 控制栅极 既控制电子束的强弱 又有初步的聚焦作用 加速阳极 通常接地 由于阴极为很高的负压 所以能驱使电子加速 图电子束加工装置示意图1 工作台系统 2 偏转线圈 3 电磁透镜 4 光阑 5 加速阳极 6 发射电子的阴极 7 控制栅极 8 光学观察系统 9 带窗真空室门 10 工件 3 加工装置 8 保证电子加工时所需要的真空度 一般电子束加工的的真空度维持在1 33 10 2 1 33 10 4Pa 3 控制系统和电源 控制系统包括束流聚焦控制 束流位置控制 束流强度控制以及工作台位移控制 图6 2电子束加工装置示意图1 工作台系统 2 偏转线圈 3 电磁透镜 4 光阑 5 加速阳极 6 发射电子的阴极 7 控制栅极 8 光学观察系统 9 带窗真空室门 10 工件 2 真空系统 9 束流聚焦控制 提高电子束的能量密度 它决定加工点的孔径或缝宽 聚焦方法 一是利用高压静电场是电子流聚焦成细束 另一种方法是利用 电磁透镜 靠磁场聚焦 束流位置控制 改变电子的方向 工作台位移控制 加工时控制工作台的位置 电源 对电压的稳定性要求较高 常用稳压电源 10 电子束能够极其微细地聚焦 可达l 0 1 m 故可进行微细加工 加工材料的范围广 能加工各种力学性能的导体 半导体和非导体材料 加工效率很高 加工在真空中进行 污染少 加工表面不易被氧化 电子束加工需要整套的专用设备和真空系统 价格较贵 故在生产中受到一定程度的限制 4 电子束加工的特点 11 1 淬火硬化 2 熔炼 3 焊接 4 打孔 5 钻 切削 6 刻蚀 7 升华 8 塑料聚合 9 电子抗蚀剂 10 塑料打孔 5 电子束加工的应用 12 1 电子束打孔 能加工各种孔 包括异形孔 斜孔 锥孔和弯孔 生产效率高 机翼吸附屏的孔 喷气发动机套上的冷却孔 此类孔数量巨大 高达数百万 且孔径微小 密度连续分布而孔径也有变化 非常适合电子束打孔 加工材料范围广 可加工不锈钢 耐热钢 宝石 陶瓷 玻璃 塑料和人造革等各种材料上的小孔 深孔 加工质量好 无毛刺和再铸层等缺陷 加工孔的最小直径可达0 003mm 最大深径比可达10 13 电子束加工的异形孔 14 电子束加工弯曲的孔 加工弯孔 利用电子束在磁场中偏转的原理 使电子束在工件内偏转方向 控制电子速度和磁场强度 就可控制曲率半径 加工出弯曲的孔 15 2 电子束切割 可对各种材料进行切割 切口宽度仅有3 6 m 利用电子束再配合工件的相对运动 可加工所需要的曲面 电子束加工曲面 16 3 电子束焊接 特点 电子束焊接具有焊缝深宽比大 焊接速度快 焊缝深而窄 焊件变形小 不用焊条 接头机械性能好 可进行异种金属焊接 可在精加工后焊接等等 应用 应用范围极为广泛 尤其在焊接大型铝合金零件中 具有极大的优势 并且可用于不同金属之间的连接 如美国和日本采用电子束焊接工艺加工发电厂汽轮机的定子部件 美国还将电子束焊接工艺广泛应用于飞机制造中 17 4 电子束光刻 利用低能量密度的电子束照射高分子材料时 将使材料分子链被切断或重新组合 引起分子量的变化即产生潜象 再将其浸入适当的溶剂中 由于分子量的不同而溶解度不同 就会将潜象显影出来 将光刻与粒子束刻蚀或蒸镀工艺结合 就可以在金属掩模或材料表面制出图形来 18 图电子束曝光加工过程A 电子束曝光 B 显影 C 蒸镀 D 离子刻蚀 E F 去掉抗蚀剂 留下图形1 电子束 2 电致抗蚀剂 3 基板 4 金属蒸汽 5 离子束 6 金属 19 电子束刻蚀 20 5 电子束表面改性 特点 A 快速加热淬火 可得到超微细组织 提高材料的强韧性 B 处理过程在真空中进行 减少了氧化等影响 可以获得纯净的表面强化层 C 电子束功率参数可控 可以控制材料表面改性的位置 深度和性能指标 21 电子束表面改性技术分类 应用 表面淬火 表面熔凝 表面合金化 表面熔覆和制造表面非晶态层 经表面改性的表层一般具有较高的硬度 强度以及优良的耐腐蚀和耐磨性能 22 1 加工原理在真空条件下 将离子源产生的离子束经过加速 聚焦后投射到工件表面 由于离子带正电荷 其质量数比电子大数千倍甚至上万倍 它撞击工件时具有很大撞击动能 通过微观的机械撞击作用从而实现对工件的加工 离子束加工 图8 9离子束加工原理1 真空抽气口2 灯丝3 惰性气体注入口4 电磁线圈5 离子束流6 工件7 阴极8 引出电极9 阳极10 电离室 23 相同点 加工原理基本相同 不同点 离子带正电荷 其质量比电子大数千倍乃至数万倍 故在电场中加速较慢 但一旦加至较高速度 就比电子束具有更大的撞击动能 电子束加工是靠电能转化为热能进行加工的 离子束加工是靠电能转化为动能进行加工的 2 与电子束加工的比较 24 2 离子束加工的分类离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应 溅射效应和注入效应 分以下四类 1 离子刻蚀采用能量为0 1 5keV 直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表面时 此高能离子所传递的能量超过工件表面原子 或分子 间键合力时 材料表面的原子 或分子 被逐个溅射出来 以达到加工目的 这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工 通常又称为离子铣削 25 可用于加工空气轴承的沟槽 打孔 加工极薄材料及超高精度非球面透镜 还可用于刻蚀集成电路等的高精度图形 26 2 离子溅射沉积 采用能量为0 1 5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材 将靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜 实际上此法为一种镀膜工艺 27 3 离子镀膜 离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积 另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力 可达10 20MPa 该方法适应性强 膜层均匀致密 韧性好 沉积速度快 目前已获得广泛应用 28 4 离子注入 用5 500keV能量的离子束 直接轰击工件表面 由于离子能量相当大 可使离子钻进被加工工件材料表面层 改变其表面层的化学成分 从而改变工件表面层的机械物理性能 该方法不受温度及注入何种元素及粒量限制 可根据不同需求注入不同离子 如磷 氮 碳等 注入表面元素的均匀性好 纯度高 其注入的粒量及深度可控制 但设备费用大 成本高 生产率较低 29 3 特点 加工精度高 离子束加工是目前最精密 最微细的加工工艺 离子刻蚀可达纳米级精度 离子镀膜可控制在亚微米级精度 离子注入的深度和浓度亦可精确地控制 环境污染少 离子束加工在真空中进行 特别适宜于对易氧化的金属 合金和半导体材料进行加工 加工质量高 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的 加工应力和变形极小 适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工 30 4 应用 目前 离子束加工主要应用于刻蚀加工 镀膜加工 注入加工 离子刻蚀 制造激光器和红外传感器的高性能非球面透镜和反光镜 光学系统中的衍射光栅 压电传感器用晶片 陀螺转子轴承表面上的复杂结构 微型加速计的精确质量块以及超精密加工用的单晶金刚石刀具 图离子束刻蚀机 离子注入加工是将所要注入的元素进行电离 并将正离子分离和加速 形成具有数十万电子伏特的高能离子流 轰击工件表面 离子因动能很大 被打入表层内 其电荷被中和 成为置换原子或晶格间的填隙原子 被留于表层中 使材料的化学成分 结构 性能产生变化 离子注入可提高材料的耐腐蚀性能 改善金属材料的耐磨性能 提高金属材料的硬度 改善金属材料的润滑性能等 离子注入 图多功能离子束增强沉积设备 34 离子镀和离子溅射镀膜 1 精密滚珠轴承采用离子镀膜后 使用寿命延长到数千小时 2 刀具镀以几微米厚的TiN TiC涂层后 寿命提高3 10倍 3 在钛合金叶片上沉积一层贵金属 Pt Au Rh等 涂层 可使疲劳强度增加30 抗氧化与耐腐蚀能力也大大提高 离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种 离子镀膜附着力强 膜层不易脱落 这首先是由于镀膜前离子以足够高的动能冲击基体表面 清洗掉表面的占污和氧化物 从而提高了工件表面的附着力 其次是镀膜刚开始时 由工件表面溅射出来的基材原子 有一部分会与工件周围气氛中的原子和离子发生碰撞而返回工件 这些返回工件的原子与镀膜的膜材原子同时到达工件表面 形成了膜材原子和基材原子的共混膜层 而后 随膜层的增厚 逐渐过渡到单纯由膜材原子构成的膜层 混合过渡层的存在 可以减少由于膜材与基材两者膨胀系数不