第六章電子束和離子束加工(共34張PPT)

第六章電子束和離子束加工第1頁，共34頁。2主要內(nèi)容

電子束加工

離子束加工第六章電子束和離子束加工第2頁，共34頁。3第六章電子束和離子束加工1、概述

電子束加工（ElectronBeamMachining簡稱EBM）起源于德國。1948年德國科學(xué)家斯特格瓦發(fā)明了第一臺電子束加工設(shè)備。利用高能量密度的電子束對材料進(jìn)行工藝處理的一切方法統(tǒng)稱為電子束加工。6.1電子束加工第3頁，共34頁。4第六章電子束和離子束加工電子束加工應(yīng)用于：電子束焊接、打孔、表面處理、熔煉、鍍膜、物理氣相沉積、雕刻、銑切、切割以及電子束曝光等。世界上電子束加工技術(shù)較先進(jìn)的國家：德國、日本、美國、俄羅斯以及法國等。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)部門廣泛應(yīng)用。第4頁，共34頁。電子束加丁原理I–工件2一電子束3–偏轉(zhuǎn)線圈4一電磁透鏡5第5頁，共34頁。6第六章電子束和離子束加工

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106～109w/cm2的極細(xì)束流高速沖擊到工件表面上極小的部位，并在幾分之一微秒時間內(nèi)，其能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能，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2、加工原理第6頁，共34頁。7

（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產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，即可進(jìn)行電子束光刻加工。第六章電子束和離子束加工

控制電子束能量密度的大小和能量注入時間，就可以達(dá)到不同的加工目的。第7頁，共34頁。8

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：電子發(fā)射陰極—用鎢或鉭制成，在加熱狀態(tài)下發(fā)射電子?？刂茤艠O—既控制電子束的強(qiáng)弱，又有初步的聚焦作用。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。第六章電子束和離子束加工圖6-2電子束加工裝置示意圖1-工作臺系統(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、加工裝置第8頁，共34頁。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。一般電子束加工的的真空度維持在×10-2~×10-4Pa。5、電子束加工的應(yīng)用（1）離子刻蝕1948年德國科學(xué)家斯特格瓦發(fā)明了第一臺電子束加工設(shè)備。第六章電子束和離子束加工第六章電子束和離子束加工（4）利用較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，即可進(jìn)行電子束光刻加工。2、離子束加工的分類世界上電子束加工技術(shù)較先進(jìn)的國家：德國、日本、美國、俄羅斯以及法國等。在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦后投射到工件表面。第六章電子束和離子束加工應(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。第六章電子束和離子束加工第六章電子束和離子束加工9

保證電子加工時所需要的真空度。一般電子束加工的的真空度維持在×10-2~×10-4Pa。

（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)度控制以及工作臺位移控制。第六章電子束和離子束加工圖6-2電子束加工裝置示意圖1-工作臺系統(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)第9頁，共34頁。10束流聚焦控制：提高電子束的能量密度，它決定加工點的孔徑或縫寬。第六章電子束和離子束加工

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。束流位置控制：改變電子的方向。工作臺位移控制：加工時控制工作臺的位置。電源：對電壓的穩(wěn)定性要求較高，常用穩(wěn)壓電源。第10頁，共34頁。11電子束能夠極其微細(xì)地聚焦(可達(dá)l～0.1μm)，故可進(jìn)行微細(xì)加工。加工材料的范圍廣。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。加工效率很高。加工在真空中進(jìn)行，污染少，加工表面不易被氧化。電子束加工需要整套的專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價格較貴，故在生產(chǎn)中受到一定程度的限制。第六章電子束和離子束加工4、電子束加工的特點第11頁，共34頁。121-淬火硬化；2-熔煉；

3-焊接；4-打孔；

5-鉆、切削；6-刻蝕；

7-升華；8-塑料聚合；

9-電子抗蝕劑；

10-塑料打孔第六章電子束和離子束加工

5、電子束加工的應(yīng)用第12頁，共34頁。13（1）電子束打孔

第六章電子束和離子束加工能加工各種孔，包括異形孔、斜孔、錐孔和彎孔。生產(chǎn)效率高。機(jī)翼吸附屏的孔、噴氣發(fā)動機(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，密度連續(xù)分布而孔徑也有變化，非常適合電子束打孔。加工材料范圍廣?？杉庸げ讳P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。加工質(zhì)量好，無毛刺和再鑄層等缺陷。加工孔的最小直徑可達(dá)，最大深徑比可達(dá)10。第13頁，共34頁。14電子束加工的異形孔第六章電子束和離子束加工第14頁，共34頁。15電子束加工彎曲的孔第六章電子束和離子束加工加工彎孔：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。控制電子速度和磁場強(qiáng)度，就可控制曲率半徑，加工出彎曲的孔。第15頁，共34頁。（3）控制系統(tǒng)和電源。在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦后投射到工件表面。離子鍍和離子濺射鍍膜可進(jìn)行異種金屬焊接；9-電子抗蝕劑；1、加工原理第六章電子束和離子束加工該方法適應(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。第六章電子束和離子束加工電子束表面改性技術(shù)分類圖6-2電子束加工裝置示意圖第六章電子束和離子束加工（2）使材料局部熔化就可以進(jìn)行電子束焊接；16（2）電子束切割第六章電子束和離子束加工可對各種材料進(jìn)行切割，切口寬度僅有3～6μm。利用電子束再配合工件的相對運(yùn)動，可加工所需要的曲面。電子束加工曲面第16頁，共34頁。17（3）電子束焊接第六章電子束和離子束加工特點：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??；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。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。第17頁，共34頁。18（4）電子束光刻第六章電子束和離子束加工利用低能量密度的電子束照射高分子材料時，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，就會將潛象顯影出來。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指出圖形來。第18頁，共34頁。19圖6-7電子束曝光加工過程A-電子束曝光；B-顯影；C-蒸鍍；D—離子刻蝕；E、F-去掉抗蝕劑，留下圖形1-電子束；2-電致抗蝕劑；3-基板；4-金屬蒸汽；5-離子束；6-金屬第六章電子束和離子束加工第19頁，共34頁。20第六章電子束和離子束加工電子束刻蝕第20頁，共34頁。21（5）電子束表面改性

第六章電子束和離子束加工特點：

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)。第21頁，共34頁。22第六章電子束和離子束加工電子束表面改性技術(shù)分類應(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。第22頁，共34頁。231、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，它撞擊工件時具有很大撞擊動能，通過微觀的機(jī)械撞擊作用從而實現(xiàn)對工件的加工。第六章電子束和離子束加工6.2離子束加工

圖6-9考夫曼型離子源1—真空抽氣口2—燈絲3—惰性氣體注入口4—電磁線圈5—離子束流6—工件7—陰極8—引出電極9—陽極10—電離室第23頁，共34頁。24相同點：加工原理基本相同。不同點：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。離子束加工是靠電能轉(zhuǎn)化為動能進(jìn)行加工的。

第六章電子束和離子束加工2、與電子束加工的比較第24頁，共34頁。252、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：第六章電子束和離子束加工

（1）離子刻蝕

采用能量為～5keV、直徑為十分之幾納米的的氬離子轟擊工件表面時，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，材料表面的原子（或分子）被逐個濺射出來，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。第25頁，共34頁。26第六章電子束和離子束加工

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，還可用于刻蝕集成電路等的高精度圖形。第26頁，共34頁。27第六章電子束和離子束加工（2）離子濺射沉積

采用能量為～5keV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。實際上此法為一種鍍膜工藝。第27頁，共34頁。28第六章電子束和離子束加工（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)10～20MPa）。

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。第28頁，共34頁。29第六章電子束和離子束加工（4）離子注入

用5～500keV能量的離子束，直接轟擊工件表面，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。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）。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。第29頁，共34頁。303、特點第六章電子束和離子束加工加工精度高。離子束加工是目前最精密、最微細(xì)的加工工藝。離子刻蝕可達(dá)納米級精度，離子鍍膜可控制在亞微米級精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。環(huán)境污染少。離子束加工在真空中進(jìn)行，特別適宜于對易氧化的金屬、合金和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工。加工質(zhì)量高。離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實現(xiàn)的，加工應(yīng)力和變形極小，適宜于對各種材料和低剛件零件進(jìn)行加工。第3