工程材料与机械制造基础第４讲电子束和离子束加工.pptx

(2)电子束和离子束的加工，1 .电子束的加工(1)电子束的加工原理，电子束的加工在真空条件下，电子枪产生的电子被加速、聚焦，变成能量密度为106109w/cm2的极细光束流，高速撞击工件表面上的极小的部位，几分钟其能量的大部分被转换成热能，与工件碰撞部位的材料达到数千度，材料局部溶解或蒸发，除去材料。 电子束加工原理图1-发射阴极2-控制栅极3-加速阳极4-聚焦系统5-电子束点6-工件7-表，2 .电子束加工的特征，1 )高功率密度电子束半径能达到微米级，因此照射材料的表面温度达到数千度，材料熔化并气体因为是非接触加工，所以机械力不作用于工件，很少发生宏观应力变形，同时也没有工具损失的问题。 2 )电子束强度、位置、聚焦能准确控制，强度和光斑大小的控制误差达到1%以下，位置控制精度达到0.1m，电子束能通过磁场和电场在工件上以任意速度移动，容易自动控制。 3 )因为环境污染少的电子束加工是在真空环境(真空度10-210-4Pa )下进行的，所以加工部位不被污染，难以氧化，适合加工纯度高的半导体材料和容易氧化的金属材料。 3、电子束加工的应用、电子束加工实际应用于不锈钢、耐热钢、合金钢、陶瓷、玻璃和宝石等材料的钻孔和切削。 除圆孔、通孔外，还可以加工异形孔、锥孔、盲孔、狭缝等。 因为电子束撞击气体分子时会产生能量损失和散射，所以电子束加工一般在高真空度的工作室内进行。 另外，由于使用的是高电压，所以会产生强x射线，必须采取相应的安全防护措施。 因此，其应用受到限制。 除特定需求外，一般代替激光加工。 (2)离子束加工，1 )离子束加工原理离子束加工原理基本相似，真空条件下离子源产生的离子加速聚焦后，撞击工件表面，引起材料变形、破坏、分离。 离子具有正电荷，其质量是电子的千万倍，因此离子束加工主要是用高速离子束的微机械创造动能，不像电子束加工那样主要是热效应。 惰性气体从入口注入电离室。 灼热的灯丝发射电子，电子在阳极的吸引和电磁线圈的偏转作用下，向下做高速螺旋运动。 惰性气体在高速电子碰撞下被离子电离。 阳极和阴极各有数百个上下位置对齐，有直径为0.3mm的小孔，形成数百条排列的离子束，均匀分布在直径为50mm的圆面积上。 带正电荷的离子束被工件的阴极吸引，撞击工件表面，引起材料的变形、破坏、分离。 通过调整加速电压，可以得到不同速度的离子束，实现了不同的加工。 2、离子束加工的特点，1 )加工精度高。 因为可以正确控制离子束的流密度和能量。 可以进行纳米级的加工。 2 )在高真空度下加工，环境污染少。 特别适合加工高纯度的半导体材料和容易氧化的金属材料。 3 )离子束加工的宏观压力小，加工应力小，变形极小，加工表面质量很高，适用于各种材料和低刚性零件的加工。 3 .离子束加工的应用范围，(1)离子蚀刻是指，当带能为0.15keV、直径为十几nm的氩离子与工件表面碰撞时，该高能离子传递的能量超过工件表面的原子(或分子)间结合力时，材料该加工本质上是原子尺度的切削加工，通常也称为离子铣削。离子蚀刻也可用于空气轴承的槽、开孔、极薄材料的加工、超高精度非球面透镜的加工、集成电路等高精度图案的蚀刻。 (2)离子溅射蒸镀法也是使用能量为0.15keV的氩离子与材料碰撞的靶，打出靶原子堆积在工件表面形成薄膜的方法。 事实上，这种方法是电镀工艺。(3)离子电镀的离子电镀膜在工件表面堆积靶放出的原子，另一方面，高速中性粒子打击工件表面，增强电镀与基材的结合力。 该方法因其适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快而得到广泛应用。 (4)离子注入用的5500keV能量的离子束直接撞击工件表面，离子能量相当大，因此使离子潜入被加工工件材料的表面层，通过改变其表面层的化学成分，可以改变工件表面层的机械物性。 该方法可以根据需要注入不同的离子(例如，磷、氮、碳等)，而与温度或注入的元素或粒子量无关。 注入表面元素均匀性好，纯度高，注入颗粒量和深度可