電子束和離子束加工

1、電子束和離子束加工電子束和離子束加工2電子束加工電子束加工離子束加工離子束加工31、概述、概述 p電子束加工（電子束加工（Electron Beam Machining 簡簡稱稱EBM）起源于德國。）起源于德國。1948年德國科學(xué)家斯年德國科學(xué)家斯特格瓦特格瓦發(fā)明了第一臺(tái)電子束加工設(shè)備。發(fā)明了第一臺(tái)電子束加工設(shè)備。p利用高能量密度的電子束對(duì)材料進(jìn)行工藝處利用高能量密度的電子束對(duì)材料進(jìn)行工藝處理的一切方法統(tǒng)稱為電子束加工。理的一切方法統(tǒng)稱為電子束加工。電子束加工電子束加工4p電子束加工應(yīng)用于：電子束加工應(yīng)用于：電子束焊接、打孔、表面處電子束焊接、打孔、表面處理、熔煉、鍍膜、物理氣相沉積、雕刻、銑

2、切、理、熔煉、鍍膜、物理氣相沉積、雕刻、銑切、切割以及電子束曝光等。切割以及電子束曝光等。p世界上電子束加工技術(shù)較先進(jìn)的國家：世界上電子束加工技術(shù)較先進(jìn)的國家：德國、日德國、日本、美國、俄羅斯以及法國等。本、美國、俄羅斯以及法國等。 p經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前電子束加工技術(shù)已在經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前電子束加工技術(shù)已在核工業(yè)、航空宇航、精密制造等工業(yè)部門廣泛核工業(yè)、航空宇航、精密制造等工業(yè)部門廣泛應(yīng)用。應(yīng)用。5 在真空條件下，利用電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚 焦 后 能 量 密 度 為 1 06109w/cm2的極細(xì)束流高速?zèng)_擊到工件表面上極小的部位，并在幾分之一微秒時(shí)間內(nèi)，其能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能

3、，使工件被沖擊部位的材料達(dá)到幾千攝氏度，致使材料局部熔化或蒸發(fā)，來去除材料。 電子束加工原理電子束加工原理電子槍系統(tǒng)聚焦系統(tǒng)電子束工件抽真空系統(tǒng)電源及控制系統(tǒng)2、加工原理、加工原理6 （1）只使材料局部加熱就可進(jìn)行電子束熱處理； （2）使材料局部熔化就可以進(jìn)行電子束焊接； （3）提高電子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可進(jìn)行打孔、切割等加工； （4）利用較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時(shí)產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，即可進(jìn)行電子束光刻加工。 控制電子束能量密度的大小和能量注入時(shí)間，就可以達(dá)到不同的加工目的。7 電子束加工裝置主要由以下幾部分組成。 （1）電子槍。獲得電子束的裝置。它包括：p 電子發(fā)射陰

4、極用鎢或鉭制成，在加熱狀態(tài)下發(fā)射電子。p 控制柵極既控制電子束的強(qiáng)弱，又有初步的聚焦作用。p 加速陽極通常接地，由于陰極為很高的負(fù)壓，所以能驅(qū)使電子加速。 圖圖 電子束加工裝置示意圖電子束加工裝置示意圖1-工作臺(tái)系統(tǒng)；2-偏轉(zhuǎn)線圈；3-電磁透鏡；4-光闌；5-加速陽極；6-發(fā)射電子的陰極；7-控制柵極；8-光學(xué)觀察系統(tǒng)；9-帶窗真空室門；10-工件3、加工裝置、加工裝置8 保證電子加工時(shí)所需要的真空度。一般電子束加工的的真空度維持在1.3310-2 1.3310-4 Pa。 （3）控制系統(tǒng)和電源。 控制系統(tǒng)包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流強(qiáng)度控制以及工作臺(tái)位移控制。圖圖6-2 電子束加工裝

5、置示意圖電子束加工裝置示意圖1-工作臺(tái)系統(tǒng)；2-偏轉(zhuǎn)線圈；3-電磁透鏡；4-光闌；5-加速陽極；6-發(fā)射電子的陰極；7-控制柵極；8-光學(xué)觀察系統(tǒng)；9-帶窗真空室門；10-工件（2）真空系統(tǒng)9p 束流聚焦控制：提高電子束的能量密度，它決定加工點(diǎn)的孔徑或縫寬。 聚焦方法：一是利用高壓靜電場是電子流聚焦成細(xì)束；另一種方法是利用“電磁透鏡”靠磁場聚焦。p 束流位置控制：改變電子的方向。p 工作臺(tái)位移控制：加工時(shí)控制工作臺(tái)的位置。p 電源：對(duì)電壓的穩(wěn)定性要求較高，常用穩(wěn)壓電源。10p 電子束能夠極其微細(xì)地聚焦電子束能夠極其微細(xì)地聚焦(可達(dá)可達(dá)l0.1 m)，故，故可進(jìn)可進(jìn)行微細(xì)加工。行微細(xì)加工。p 加

6、工材料的范圍廣。加工材料的范圍廣。能加工各種力學(xué)性能的導(dǎo)體、半能加工各種力學(xué)性能的導(dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料。導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料。p 加工效率很高。加工效率很高。p 加工在真空中進(jìn)行，加工在真空中進(jìn)行，污染少，加工表面不易被氧化。污染少，加工表面不易被氧化。p 電子束加工電子束加工需要整套的專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較需要整套的專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴，貴，故在生產(chǎn)中受到一定程度的限制。故在生產(chǎn)中受到一定程度的限制。 4、電子束加工的特點(diǎn)、電子束加工的特點(diǎn)111- 1-淬火硬化；淬火硬化；2- 2-熔煉；熔煉；3- 3-焊接；焊接； 4- 4-打孔；打孔；5- 5-鉆、切削；鉆、切削；6- 6-

7、刻蝕；刻蝕；7- 7-升華；升華；8- 8-塑料聚合；塑料聚合； 9- 9-電子抗蝕劑；電子抗蝕劑； 10-10-塑料打孔塑料打孔 5、電子束加工的應(yīng)用、電子束加工的應(yīng)用12（1）電子束打孔）電子束打孔 p 能加工各種孔能加工各種孔，包括，包括異形孔異形孔 、斜孔、錐孔和彎孔。、斜孔、錐孔和彎孔。p 生產(chǎn)效率高生產(chǎn)效率高。機(jī)翼吸附屏的孔、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)套上的冷卻。機(jī)翼吸附屏的孔、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)套上的冷卻孔，此類孔數(shù)量巨大（高達(dá)數(shù)百萬），且孔徑微小，密孔，此類孔數(shù)量巨大（高達(dá)數(shù)百萬），且孔徑微小，密度連續(xù)分布而孔徑也有變化，非常適合電子束打孔。度連續(xù)分布而孔徑也有變化，非常適合電子束打孔。p 加工材料范

8、圍廣加工材料范圍廣。可加工不銹鋼、耐熱鋼、寶石、陶瓷、。可加工不銹鋼、耐熱鋼、寶石、陶瓷、玻璃、塑料和人造革等各種材料上的小孔、深孔。玻璃、塑料和人造革等各種材料上的小孔、深孔。p 加工質(zhì)量好加工質(zhì)量好，無毛刺和再鑄層等缺陷。，無毛刺和再鑄層等缺陷。p 加工孔的最小直徑可達(dá)加工孔的最小直徑可達(dá)0.003mm，最大深徑比可達(dá)，最大深徑比可達(dá)10。13電子束加工的異形孔電子束加工的異形孔0.030.07 mm0.030.07 mm14電子束加工彎曲的孔電子束加工彎曲的孔1323(a)(b)(c)(d)1工件；2工件運(yùn)動(dòng)方向；3電子束p加工彎孔：利用電子束在磁場中偏轉(zhuǎn)的原理，使電子束在工件內(nèi)偏轉(zhuǎn)方向

9、?？刂齐娮铀俣群痛艌鰪?qiáng)度，就可控制曲率半徑，加工出彎曲的孔。15（2）電子束切割）電子束切割p 可對(duì)各種材料進(jìn)行切割，切口寬度僅有36m。p 利用電子束再配合工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可加工所需要的曲面。 電子束加工曲面電子束加工曲面1323(a)(b)(c)(d)1工件；2工件運(yùn)動(dòng)方向；3電子束16（3）電子束焊接）電子束焊接p 特點(diǎn)：電子束焊接具有焊縫深寬比大； 焊接速度快，焊縫深而窄，焊件變形小； 不用焊條，接頭機(jī)械性能好； 可進(jìn)行異種金屬焊接； 可在精加工后焊接等等。p 應(yīng)用：應(yīng)用范圍極為廣泛，尤其在焊接大型鋁合金零件中，具有極大的優(yōu)勢，并且可用于不同金屬之間的連接。 如美國和日本采用電子束焊接

10、工藝加工發(fā)電廠汽輪機(jī)的定子部件；美國還將電子束焊接工藝廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造中。17（4）電子束光刻）電子束光刻 p 利用低能量密度的電子束照射高分子材料時(shí)，將使材料分子鏈被切斷或重新組合，引起分子量的變化即產(chǎn)生潛象，再將其浸入適當(dāng)?shù)娜軇┲?，由于分子量的不同而溶解度不同，就?huì)將潛象顯影出來。p 將光刻與粒子束刻蝕或蒸鍍工藝結(jié)合，就可以在金屬掩模或材料表面制出圖形來。18圖圖 電子束曝光加工過程電子束曝光加工過程A-電子束曝光；電子束曝光；B-顯影；顯影；C-蒸鍍；蒸鍍；D離子刻蝕；離子刻蝕；E、F-去掉抗蝕劑，留下圖形去掉抗蝕劑，留下圖形1-電子束；電子束；2-電致抗蝕劑；電致抗蝕劑；3-基板；基

11、板；4-金屬蒸汽；金屬蒸汽；5-離子束；離子束；6-金屬金屬19電子束刻蝕電子束刻蝕20（5）電子束表面改性）電子束表面改性 p 特點(diǎn)： A）快速加熱淬火，可得到超微細(xì)組織，提高材料的強(qiáng)韌性； B）處理過程在真空中進(jìn)行，減少了氧化等影響，可以獲得純凈的表面強(qiáng)化層； C）電子束功率參數(shù)可控，可以控制材料表面改性的位置、深度和性能指標(biāo)。21電子束表面改性技術(shù)分類電子束表面改性技術(shù)分類p 應(yīng)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態(tài)層。經(jīng)表面改性的表層一般具有較高的硬度、強(qiáng)度以及優(yōu)良的耐腐蝕和耐磨性能。22 1、加工原理、加工原理在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦后投

12、射到工件表面。由于離子帶正電荷，其質(zhì)量數(shù)比電子大數(shù)千倍甚至上萬倍，它撞擊工件時(shí)具有很大撞擊動(dòng)能，通過微觀的機(jī)械撞擊作用從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工。離子束加工離子束加工 圖圖8-9 離子束加工原理離子束加工原理1真空抽氣口真空抽氣口 2燈絲燈絲 3惰性氣體注入口惰性氣體注入口 4電磁線圈電磁線圈 5離子束流離子束流 6工件工件 7陰極陰極 8引出電極引出電極 9陽極陽極 10電離室電離室23p 相同點(diǎn)：加工原理基本相同。p 不同點(diǎn)：離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千倍乃至數(shù)萬倍，故在電場中加速較慢，但一旦加至較高速度，就比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能。 電子束加工是靠電能轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行加工的。 離子束加工是

13、靠電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能進(jìn)行加工的。 2、與電子束加工的比較、與電子束加工的比較24 2、離子束加工的分類、離子束加工的分類 離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時(shí)所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。分以下四類： （1）離子刻蝕 采用能量為0.15keV、直徑為十分之幾納米的的氬離子轟擊工件表面時(shí)，此高能離子所傳遞的能量超過工件表面原子（或分子）間鍵合力時(shí)，材料表面的原子（或分子）被逐個(gè)濺射出來，以達(dá)到加工目的。 這種加工本質(zhì)上屬于一種原子尺度的切削加工，通常又稱為離子銑削。25 可用于加工空氣軸承的溝槽、打孔、加工極薄材可用于加工空氣軸承的溝槽、打孔、加工極薄材料及超高精度非球面透鏡，還可用于

14、刻蝕集成電路等料及超高精度非球面透鏡，還可用于刻蝕集成電路等的高精度圖形。的高精度圖形。 26（2）離子濺射沉積 采用能量為0.15keV的氬離子轟擊某種材料制成的靶材，將靶材原子擊出并令其沉積到工件表面上并形成一層薄膜。實(shí)際上此法為一種鍍膜工藝 。27（3）離子鍍膜 離子鍍膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉積，另一方面還有高速中性粒子打擊工件表面以增強(qiáng)鍍層與基材之間的結(jié)合力（可達(dá)1020MPa）。 該方法適應(yīng)性強(qiáng)、膜層均勻致密、韌性好、沉積速度快，該方法適應(yīng)性強(qiáng)、膜層均勻致密、韌性好、沉積速度快，目前已獲得廣泛應(yīng)用。目前已獲得廣泛應(yīng)用。28（4）離子注入 用5500keV能量的離子束，直

15、接轟擊工件表面，由于離子能量相當(dāng)大，可使離子鉆進(jìn)被加工工件材料表面層，改變其表面層的化學(xué)成分，從而改變工件表面層的機(jī)械物理性能。p 該方法不受溫度及注入何種元素及粒量限制，可根據(jù)不同需求注入不同離子（如磷、氮、碳等）。p 注入表面元素的均勻性好，純度高，其注入的粒量及深度可控制，但設(shè)備費(fèi)用大、成本高、生產(chǎn)率較低。293、特點(diǎn)、特點(diǎn)p 加工精度高。離子束加工是目前最精密、最微細(xì)的加加工精度高。離子束加工是目前最精密、最微細(xì)的加工工藝。工工藝。離子刻蝕可達(dá)納米級(jí)精度，離子鍍膜可控制離子刻蝕可達(dá)納米級(jí)精度，離子鍍膜可控制在亞微米級(jí)精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地在亞微米級(jí)精度，離子注入的深度和濃

16、度亦可精確地控制。控制。p 環(huán)境污染少。環(huán)境污染少。離子束加工在真空中進(jìn)行，特別適宜于離子束加工在真空中進(jìn)行，特別適宜于對(duì)易氧化的金屬、合金和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工。對(duì)易氧化的金屬、合金和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工。p 加工質(zhì)量高。加工質(zhì)量高。離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實(shí)現(xiàn)的，加工應(yīng)力和變形極小，適宜于對(duì)各種材子來實(shí)現(xiàn)的，加工應(yīng)力和變形極小，適宜于對(duì)各種材料和低剛件零件進(jìn)行加工。料和低剛件零件進(jìn)行加工。304、應(yīng)用、應(yīng)用 目前，離子束加工主要應(yīng)用于刻蝕加工、鍍膜加工、注入加工。p 離子刻蝕：制造激光器和紅外傳感器的高性能非球面透鏡和反光鏡、光學(xué)系統(tǒng)中的衍射光柵

17、、壓電傳感器用晶片、陀螺轉(zhuǎn)子軸承表面上的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、微型加速計(jì)的精確質(zhì)量塊以及超精密加工用的單晶金剛石刀具。圖圖 離子束刻蝕機(jī)離子束刻蝕機(jī) 離子注入加工是將所要注入的元素進(jìn)行電離，并離子注入加工是將所要注入的元素進(jìn)行電離，并將正離子分離和加速，形成具有數(shù)十萬電子伏特的高將正離子分離和加速，形成具有數(shù)十萬電子伏特的高能離子流，轟擊工件表面，離子因動(dòng)能很大，被打入能離子流，轟擊工件表面，離子因動(dòng)能很大，被打入表層內(nèi)，其電荷被中和，成為置換原子或晶格間的填表層內(nèi)，其電荷被中和，成為置換原子或晶格間的填隙原子，被留于表層中，使材料的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、隙原子，被留于表層中，使材料的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、性能產(chǎn)生變

18、化。性能產(chǎn)生變化。 離子注入可提高材料的耐腐蝕性能，改善金屬材離子注入可提高材料的耐腐蝕性能，改善金屬材料的耐磨性能，提高金屬材料的硬度，改善金屬材料料的耐磨性能，提高金屬材料的硬度，改善金屬材料的潤滑性能等。的潤滑性能等。p 離子注入離子注入圖圖 多功能離子束增強(qiáng)沉積設(shè)備多功能離子束增強(qiáng)沉積設(shè)備34p 離子鍍和離子濺射鍍膜離子鍍和離子濺射鍍膜 （1）精密滾珠軸承采用離子鍍膜后，使用壽命延長到）精密滾珠軸承采用離子鍍膜后，使用壽命延長到數(shù)千小時(shí)；數(shù)千小時(shí)； （2）刀具鍍以幾微米厚的）刀具鍍以幾微米厚的TiN、TiC涂層后，壽命提高涂層后，壽命提高310倍；倍； （3）在鈦合金葉片上沉積一層貴金

19、屬（）在鈦合金葉片上沉積一層貴金屬（Pt、Au、Rh等）等）涂層，可使疲勞強(qiáng)度增加涂層，可使疲勞強(qiáng)度增加30%，抗氧化與耐腐蝕能力也，抗氧化與耐腐蝕能力也大大提高。大大提高。 離子鍍膜加工有濺射沉積和離子鍍兩種。離子鍍膜附著離子鍍膜加工有濺射沉積和離子鍍兩種。離子鍍膜附著力強(qiáng)、膜層不易脫落。這首先是由于鍍膜前離子以足夠高的力強(qiáng)、膜層不易脫落。這首先是由于鍍膜前離子以足夠高的動(dòng)能沖擊基體表面，清洗掉表面的占污和氧化物，從而提高動(dòng)能沖擊基體表面，清洗掉表面的占污和氧化物，從而提高了工件表面的附著力。其次是鍍膜剛開始時(shí)，由工件表面濺了工件表面的附著力。其次是鍍膜剛開始時(shí)，由工件表面濺射出來的基材原子，