精密與特種加工技術(shù)課件：電子束加工和離子束加工-

1電子束加工和離子束加工28.1電子束加工8.1.1電子束加工的基本原理如下圖所示，在真空條件下，電子槍射出高速運(yùn)動(dòng)的電子束，電子束通過(guò)一極或多極匯聚形成高能束流，經(jīng)電磁透鏡聚焦后轟擊工件表面，由于高能束流沖擊工件表面時(shí)，電子的動(dòng)能瞬間大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。由于光斑直徑極小(其直徑在微米級(jí)或更小)，在轟擊處形成局部高溫，可使被沖擊部分的材料在幾分之一微秒內(nèi)，溫度升高到幾千攝氏度以上，使材料局部快速汽化、蒸發(fā)而實(shí)現(xiàn)加工目的。所以電子束加工是通過(guò)熱效應(yīng)進(jìn)行的。電磁透鏡實(shí)質(zhì)上只是一個(gè)通直流電流的多匝線(xiàn)圈，其作用與光學(xué)玻璃透鏡相似，當(dāng)線(xiàn)圈通過(guò)電流后形成磁場(chǎng)。利用磁場(chǎng)，可迫使電子束按照加工的需要作相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)。348.1.2電子束加工的特點(diǎn)電子束加工有如下特點(diǎn)：(1)束斑極小。由于電子束能夠極其微細(xì)地聚焦，甚至聚焦到0.1，加工面積可以很小，是一種精密微細(xì)的加工方法。微型機(jī)械中的光刻技術(shù)，可達(dá)到亞微米級(jí)寬度。(2)能量密度很高。能達(dá)到107~109W/cm2，使照射部分的溫度超過(guò)材料的熔化和汽化溫度。去除材料主要靠瞬時(shí)蒸發(fā)，是一種非接觸式加工。適合于加工精微深孔和狹縫等，速度快，效率高。(3)可控性好。可以通過(guò)磁場(chǎng)或電場(chǎng)對(duì)電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等進(jìn)行直接控制，可加工出斜孔、彎孔及特殊表面，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。位置控制精度能準(zhǔn)確到0.1左右，強(qiáng)度和斑束尺寸可達(dá)到1%的控制精度。5(4)生產(chǎn)率很高。電子束的能量密度高，而且能量利用率可達(dá)90%以上，所以加工生產(chǎn)率很高。(5)無(wú)污染。由于電子束加工是在真空中進(jìn)行，因而污染少，加工表面不氧化，特別適用于加工易氧化的金屬及合金材料，以及純度要求極高的半導(dǎo)體材料。(6)電子束加工有一定的局限性，一般只用來(lái)加工小孔、小縫及微小的特形表面，且需要一套專(zhuān)用設(shè)備和數(shù)萬(wàn)伏的高壓真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴，生產(chǎn)應(yīng)用有一定局限性。68.1.3電子束加工設(shè)備電子束加工設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，它主要由電子槍、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分組成。78.1.4電子束加工應(yīng)用1.打孔電子束打孔已在生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用。目前，電子束打孔的最小直徑已達(dá)1。孔徑在0.5~0.9mm時(shí)，其最大孔深已超過(guò)10mm，即孔深徑比大于15∶1。打孔的速度主要取決于板厚和孔徑，通常每秒可加工幾十至幾萬(wàn)個(gè)孔，而且有時(shí)還可以改變孔徑。82.焊接電子束焊接是電子束加工技術(shù)中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的一種，已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的焊接方法。電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝，焊接過(guò)程不需要填充物(焊條)，焊接過(guò)程又是在真空中完成。因此焊縫中的化學(xué)成分純凈，焊接接頭的強(qiáng)度往往高于母材。93.熱處理電子束熱處理也是把電子束作為熱源，但適當(dāng)控制電子束的功率密度，使金屬表面加熱而不熔化，達(dá)到熱處理的目的。電子束熱處理的加熱速度和冷卻速度都很高，在相變過(guò)程中，奧氏體化時(shí)間很短，只有幾分之一秒乃至千分之一秒，奧氏體晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，從而能獲得一種超細(xì)晶粒組織，可使工件獲得用常規(guī)熱處理不能達(dá)到的硬度，硬化深度可達(dá)0.3~0.8mm。焊接時(shí)，可以在金屬熔化區(qū)加入適當(dāng)?shù)脑?，使焊接區(qū)形成合金層，從而得到比原來(lái)金屬更好的物理力學(xué)性能。104.刻蝕集成電子器件、集成光學(xué)器件、表面聲波器以及微機(jī)械元器件的圖形制作技術(shù)中，為制造多層固體組件，可用電子束刻出許多微細(xì)溝槽和孔。例如通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，可以完成在硅片上加工2.5，深0.25的槽；在銅制滾筒上可以刻出直徑為70~120，深度為5~40μm的凹坑。118.2離子束加工8.2.1離子束加工的基本原理離子束加工的原理與電子束加工類(lèi)似，也是在真空條件下，將氬、氪、氙等隋性氣體，通過(guò)離子源產(chǎn)生離子束并經(jīng)過(guò)加速、集束、聚焦后，以其動(dòng)能轟擊工件表面的加工部位，實(shí)現(xiàn)去除材料的加工。該方法所用的是氬(Ar)離子或其他帶有10keV數(shù)量級(jí)動(dòng)能的惰性氣體離子。128.2.2離子束加工的特點(diǎn)(1)易于精確控制，加工精度高。離子束可通過(guò)離子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦掃描，使微離子束的聚焦光斑直徑在1以?xún)?nèi)進(jìn)行加工，并能精確控制離子束流密度、深度、含量等，以獲得精密的加工效果，可以對(duì)材料實(shí)行“原子級(jí)加工”或“微毫米加工”。(2)加工應(yīng)力小、變形小。離子束加工是依靠離子撞擊工件表面的原子而實(shí)現(xiàn)的，是一種微觀(guān)作用，其宏觀(guān)作用力極小，加工應(yīng)力、變形也極小，故對(duì)脆件、極薄、半導(dǎo)體、高分子等各種材料、低剛度工件進(jìn)行微細(xì)加工，加工的適應(yīng)性好。13(3)加工所產(chǎn)生的污染少。因?yàn)殡x子束加工是在較高真空中進(jìn)行的，所以污染少，特別適合易氧化的金屬、合金材料及半導(dǎo)體材料的精密加工。但是，要增加抽真空裝置，不僅投資費(fèi)用較大，而且維護(hù)也麻煩。(4)離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它是一種微觀(guān)作用，宏觀(guān)應(yīng)力很小，所以加工應(yīng)力、變形等極小，加工質(zhì)量高，適合于各種材料和低剛度零件的加工。148.2.3離子束加工裝置離子束加工裝置可分為離子源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。其中離子源系統(tǒng)與電子束加工裝置不同，其余系統(tǒng)均類(lèi)似。158.2.4離子束加工的應(yīng)用1.離子刻蝕離子刻蝕是從工件上去除材的濺射過(guò)程。當(dāng)離子束轟擊工件，入射離子的動(dòng)量傳遞到工件表面的原子，傳遞能量超過(guò)了原子間的鍍合力時(shí)，原子就從工件表面撞擊濺射出來(lái)，達(dá)到刻蝕的目的。該種方法是一種微細(xì)加工，可完成多種加工。如加工致薄材料鎳箔(厚度僅有10)，可加工出直徑為20的孔；在厚度為0.04~0.3的鉭、銅、金、鋁、鉻、銀等薄膜上加工直徑為30~10d的孔。162.離子鍍覆離子鍍覆時(shí)工件不僅接受靶材濺射來(lái)的原子，同時(shí)還受到離子的轟擊，這使離子鍍覆有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：鍍覆面積大(所有被暴露在外的表面均能被鍍覆)、鍍膜附著力強(qiáng)、膜層不易脫落、提高或改變材料的使用性能?？稍诮饘倩蚍墙饘?、各種合金、化合物、某些合成材料、半導(dǎo)體材料、高熔點(diǎn)材料均可鍍覆，使用廣泛，如工具上覆蓋高硬度的碳化鈦、可以大大提高其使用壽命。鋼的表面熱處理，進(jìn)行離子氮化，以強(qiáng)化表面層，可以大大提高耐磨性。173.離子注入離子注入是將所需要的元素進(jìn)行電離，并進(jìn)行加速，把離子直接注入工件