《特種加工》課件-第7章

第7章電子束和離子束加工7.1電子束加工7.2離子束加工 7.1電子束加工

7.1.1電子束加工的原理及特點(diǎn)

1.電子束加工的原理

如圖7－1所示，電子束加工是在真空條件下，利用聚焦后能量密度極高(106～109W/cm2)的電子束，以極高的速度沖擊到工件表面極小面積上，在極短的時(shí)間（幾分之一微秒）內(nèi)，其能量的大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽贡粵_擊部分的工件材料達(dá)到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化和汽化，再用真空系統(tǒng)抽走汽化的材料的加工方法。這種利用電子束熱效應(yīng)的加工稱為電子束熱加工。圖7－1電子束加工原理及設(shè)備組成電子束加工的另一種方式是利用電子束流的非熱效應(yīng)。功率密度較小的電子束流和電子膠相互作用，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，產(chǎn)生輻射化學(xué)或物理效應(yīng)，使電子膠的分子鏈被切斷或重新組合而形成分子量的變化，從而實(shí)現(xiàn)電子束曝光。采用這種方法，可以實(shí)現(xiàn)材料表面微槽或其他幾何形狀的刻蝕加工。

2.電子束加工的特點(diǎn)

電子束加工具有如下特點(diǎn)：

（1)由于電子束能夠極其微細(xì)地聚焦，甚至能聚焦到0.1μm，因此加工面積可以很小，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）電子束能量密度很高，使照射部分的溫度超過材料的熔化和汽化溫度，去除材料主要靠瞬時(shí)蒸發(fā)。它是一種非接觸式加工，工件不受機(jī)械力作用，不產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形。加工材料范圍很廣，對(duì)脆性、韌性、導(dǎo)體、非導(dǎo)體及半導(dǎo)體材料都可加工。（3）電子束的能量密度高，因而加工生產(chǎn)率很高。例如，每秒鐘可以在2.5mm厚的鋼板上鉆50個(gè)直徑為0.4mm的孔；厚度為200mm的鋼板，電子束可以4mm／s的速度一次焊透。

（4)可以通過磁場或電場對(duì)電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等進(jìn)行直接控制，所以整個(gè)加工過程便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。特別是在電子束曝光中，從加工位置找準(zhǔn)到加工圖形的掃描都可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在電子束打孔和切割時(shí)，可以通過電氣控制加工異形孔，實(shí)現(xiàn)曲面弧形切割等。（5）由于電子束加工是在真空中進(jìn)行的，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、合金材料以及純度要求極高的半導(dǎo)體材料。

（6）電子束加工需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴，生產(chǎn)應(yīng)用有一定局限性。7.1.2電子束加工的裝置

電子束加工裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖7－2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。圖7－2電子束加工裝置結(jié)構(gòu)示意圖圖7－3電子槍

1.電子槍

電子槍是獲得電子束的裝置，它包括發(fā)射電子的陰極、控制柵極和加速的陽極等，如圖7－3所示。陰極經(jīng)電流加熱發(fā)射電子，帶負(fù)電荷的電子高速飛向帶高電位的陽極，在飛向陽極的過程中，經(jīng)過加速極加速，又通過電磁透鏡把電子束聚焦成很小的束斑。

發(fā)射陰極一般用鎢或鉭制成，在加熱狀態(tài)下發(fā)射大量電子。小功率時(shí)用鎢或鉭做成絲狀陰極，如圖7－3（a）所示；大功率時(shí)用鉭做成塊狀陰極，如圖7－3（b）所示?？刂茤艠O為中間有孔的圓筒形，其上加以較陰極為負(fù)的偏壓，既能控制電子束的強(qiáng)弱，又有初步的聚焦作用。加速陽極通常接地，而陰極為很高的負(fù)電壓，所以能驅(qū)使電子加速。

2.真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)用于保證在電子束加工時(shí)維持1.33×10-2～1.33×10-4Pa的真空度。因?yàn)橹挥性诟哒婵罩?，電子才能高速運(yùn)動(dòng)。此外，加工時(shí)的金屬蒸汽會(huì)影響電子發(fā)射，產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此，也需要不斷地把加工中生產(chǎn)的金屬蒸汽抽出去，如圖7－4所示。圖7－4抽真空系統(tǒng)示意圖真空系統(tǒng)一般由機(jī)械旋轉(zhuǎn)泵和油擴(kuò)散泵或渦輪分子泵兩級(jí)組成，先用機(jī)械旋轉(zhuǎn)泵把真空室抽至1.4～0.14Pa，然后由油擴(kuò)散泵或渦輪分子泵抽至0.014～0.00014Pa的高真空度。

3.控制系統(tǒng)

電子束加工裝置的控制系統(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)位移控制等。

束流聚焦控制用于提高電子束的能量密度，使電子束聚焦成很小的束斑，它基本上決定著加工點(diǎn)的孔徑或縫寬。聚焦方法有兩種：一是利用高壓靜電場使電子流聚焦成細(xì)束；另一是利用電磁透鏡的磁場聚焦。所謂電磁透鏡，實(shí)際上是一個(gè)電磁線圈，它通電后產(chǎn)生的軸向磁場與電子束中心線并行，徑向磁場與中心線垂直。根據(jù)左手定則，電子束在前進(jìn)運(yùn)動(dòng)中切割徑向磁場時(shí)，將產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng)，而在圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，在軸向磁場中將又產(chǎn)生一個(gè)徑向運(yùn)動(dòng)，所以實(shí)際上每個(gè)電子的合成運(yùn)動(dòng)為一個(gè)半徑愈來愈小的空間螺旋線，最終聚焦于一點(diǎn)。為了消除像差和獲得更細(xì)的焦點(diǎn)，常進(jìn)行第二次聚焦。

束流位置控制用于改變電子束的方向，常用磁偏轉(zhuǎn)來控制電子束焦點(diǎn)的位置。如果使偏轉(zhuǎn)電壓或電流按一定程序變化，則電子束焦點(diǎn)便按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。為了獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，必須根據(jù)工件材料的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)等來選取電子束參數(shù)。例如，使脈沖能量的75％用于材料熔化，余下的25％能量使蝕除材料的5％汽化，靠汽化時(shí)的噴爆作用使熔化的材料去除，因此常在束流強(qiáng)度控制極上加上比陰極電位更低的負(fù)偏壓來實(shí)現(xiàn)束流強(qiáng)度控制。

工作臺(tái)位移控制用于在加工過程中控制工作臺(tái)的位置。電子束的偏轉(zhuǎn)距離只能在數(shù)毫米之內(nèi)，過大將增加像差和影響線性，因此在大面積加工時(shí)需要用伺服電機(jī)控制工作臺(tái)移動(dòng)，并與電子束的偏轉(zhuǎn)相配合。

4.電源

電子束加工裝置對(duì)電源電壓的穩(wěn)定性要求較高，通常電源電壓波動(dòng)范圍不得超過百分之幾，這是因?yàn)殡娮邮劢挂约瓣帢O的發(fā)射強(qiáng)度與電壓波動(dòng)有密切關(guān)系，所以常用穩(wěn)壓設(shè)備。各種控制電壓以及加速電壓由升壓整流或超高壓直流發(fā)電機(jī)供給。7.1.3電子束加工的應(yīng)用

1.高速打孔

電子束打孔已在生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用，目前最小直徑可達(dá)0.003mm左右。打孔的速度主要取決于板厚和孔徑，孔的形狀復(fù)雜時(shí)還取決于電子束掃描速度(或偏轉(zhuǎn)速度)以及工件的移動(dòng)速度。通常每秒可加工幾十到幾萬個(gè)孔。例如，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)套上的冷卻孔，機(jī)翼的吸附屏的孔，不僅孔的密度連續(xù)變化，孔數(shù)達(dá)數(shù)百萬個(gè)，而且有時(shí)還要改變孔徑，此時(shí)最宜用電子束高速打孔。高速打孔可在工件運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行。例如，在0.1mm厚的不銹鋼上加工直徑0.2mm的孔，速度為3000孔每秒。在人造革、塑料上用電子束打大量微孔，可使其具有如真皮革那樣的透氣性?，F(xiàn)在生產(chǎn)上已出現(xiàn)了專用塑料打孔機(jī)，將電子槍發(fā)射的片狀電子束分成數(shù)百條小電子束同時(shí)打孔，其速度可達(dá)50000孔每秒，孔徑120～40μm可調(diào)。

電子束打孔還能加工深孔，如在葉片上打深度5mm、直徑0.4mm的孔，孔的深徑比大于10∶1。

用電子束加工玻璃、陶瓷、寶石等脆性材料時(shí)，由于在加工部位的附近有很大溫差，容易引起變形甚至破裂，因此在加工前或加工時(shí)，需用電阻爐或電子束進(jìn)行預(yù)熱。采用電子束預(yù)熱零件時(shí)，加熱用的電子束稱為回火電子束?；鼗痣娮邮前l(fā)散的電子束。

2.加工型孔及特殊表面

圖7－5所示為電子束加工的噴絲頭型孔截面的一些實(shí)例。出絲口的窄縫寬度為0.03～0.07mm，長度為0.80mm，噴絲板厚度為0.6mm。為了使人造纖維具有光澤、松軟有彈性、透氣性好，噴絲頭的型孔都是特殊形狀的。圖7－5電子束加工的噴絲頭異形孔電子束還可以用來切割各種復(fù)雜型面，切口寬度為6～3μm，邊緣表面粗糙度可控制在±0.5μm。

離心過濾機(jī)、造紙化工過濾設(shè)備中，鋼板上的小孔為錐孔(上小下大)，這樣可防止堵塞，并便于反沖清洗。用電子束在1mm厚不銹鋼板上打?0.13mm錐形孔，每秒可打460孔，在3mm厚的不銹鋼板上打?1mm錐形孔，每秒可打20孔。

燃燒室混氣板及某些葉片需要打不同方向的斜孔，使葉片容易散熱，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。如某種葉片需要打斜孔30000個(gè)，使用電子束加工能廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)。燃?xì)廨啓C(jī)上的葉片、混氣板和蜂房消音器等三個(gè)重要部件已用電子束打孔代替電火花打孔。電子束不僅可以加工各種直的型孔和型面，而且可以加工彎孔和曲面。利用電子束在磁場中偏轉(zhuǎn)的原理，使電子束在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)，控制電子速度和磁場強(qiáng)度，即可控制曲率半徑，也就可以加工出彎曲的孔。如果同時(shí)改變電子束和工件的相對(duì)位置，就可進(jìn)行切割和開槽。如圖7－6（a）所示，對(duì)長方形工件1施加磁場之后，若一面用電子束3轟擊，一面依箭頭2方向移動(dòng)工件，就可獲得如實(shí)線所示的曲面。經(jīng)如圖7－6（a）所示的加工后，再改變磁場極性進(jìn)行加工，就可獲得如圖7－6（b）所示的工件。同樣原理，可加工出如圖7－6（c）所示的彎縫。如果工件不移動(dòng)，只改變偏轉(zhuǎn)磁場的極性，則可獲得如圖7－6（d）所示的一個(gè)入口兩個(gè)出口的彎孔。圖7－6電子束加工曲面、彎孔

3.刻蝕

在微電子器件生產(chǎn)中，為了制造多層固體組件，可利用電子束對(duì)陶瓷或半導(dǎo)體材料刻出許多微細(xì)構(gòu)槽和孔，如在硅片上刻出寬2.5μm、深0.25μm的細(xì)槽；在混合電路電阻的金屬鍍層上刻出40μm寬的線條。還可在加工過程中對(duì)電阻值進(jìn)行測量校準(zhǔn)，這些都可用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制完成。

電子束刻蝕還可用于制版，如在銅制印滾筒上按色調(diào)深淺刻出許多大小與深淺不一的溝槽或凹坑，其直徑為70～120μm，深度為5～40μm，小坑代表淺色，大坑代表深色。

4.焊接

電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝。當(dāng)高能量密度的電子束轟擊焊件表面時(shí)，使焊件接頭處的金屬熔融，在電子束連續(xù)不斷地轟擊下，形成一個(gè)被熔融金屬環(huán)繞著的毛細(xì)管狀的蒸汽管。如果焊件按一定速度沿著焊件接縫與電子束作相對(duì)移動(dòng)，則接縫上的蒸汽管由于電子束的離開而重新凝固，使焊件的整個(gè)接縫形成一條焊縫。

由于電子束的能量密度高，焊接速度快，因此電子束焊接的焊縫深而窄，焊件熱影響區(qū)小，變形小。電子束焊接一般不用焊條，焊接過程在真空中進(jìn)行，因此焊縫化學(xué)成份純凈，焊接接頭的強(qiáng)度往往高于母材。電子束焊接可以焊接難熔金屬，如鉭、鈮、鉬等，也可焊接鈦、鋯、鈾等化學(xué)性能活潑的金屬。對(duì)于普通碳鋼、不銹鋼、合金鋼、銅、鋁等各種金屬，也能用電子束焊接。電子束焊接可焊接很薄的工件，也可焊接幾百毫米厚的工件。

電子束焊接還能焊接用一般焊接方法難以完成的異種金屬焊接，如銅和不銹鋼的焊接，鋼和硬質(zhì)合金的焊接，鉻、鎳和鉬的焊接等。由于電子束焊接對(duì)焊件的熱影響小、變形小，因此可以在工件精加工后進(jìn)行。又由于它能夠?qū)崿F(xiàn)異種金屬焊接，因此就有可能將復(fù)雜的工件分成幾個(gè)零件，這些零件可以單獨(dú)地使用最合適的材料，采用合適的方法來加工制造，最后利用電子束焊接成一個(gè)完整的工件，從而獲得理想的技術(shù)性能和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。例如，可變后掠翼飛機(jī)的中翼盒長達(dá)6.7m，壁厚12.7～57mm，鈦合金小零件可以用電子束焊接制成，共70道焊縫，僅此一項(xiàng)工藝就減輕飛機(jī)重量270kg；大型渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金機(jī)匣，壁厚1.8～69.8mm，外徑2.4m，是發(fā)動(dòng)機(jī)中最大、加工最復(fù)雜、成本最高的部件，采用電子束焊接后，節(jié)約了材料和工時(shí)，成本降低40％。此外，登月倉的鈹合金框架和制動(dòng)引擎的64個(gè)零部件也都采用了電子束焊接。

5.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，奧氏體晶粒來不及長大，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。

電子束熱處理與激光熱處理類同，但電子束的電熱轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)90％，而激光的轉(zhuǎn)換效率只有7％～10％。電子束熱處理在真空中進(jìn)行，可以防止材料氧化，電子束設(shè)備的功率可以做得比激光功率大，所以電子束熱處理工藝很有發(fā)展前途。如果用電子束加熱金屬達(dá)到表面熔化，可在熔化區(qū)添加元素，使金屬表面形成一層很薄的新的合金層，從而獲得更好的機(jī)械物理性能。鑄鐵的熔化處理可以產(chǎn)生非常細(xì)的萊氏體結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是抗滑動(dòng)磨損。鋁、鈦、鎳的各種合金幾乎全可進(jìn)行添加元素處理，從而得到很好的耐磨性能。

6.電子束曝光

先利用低功率密度的電子束照射稱為電致抗蝕劑的高分子材料，由入射電子與高分子相碰撞，使分子的鏈被切斷或重新聚合而引起分子量的變化，這一步驟稱為電子束曝光，如圖7－7（a）所示。如果按規(guī)定圖形進(jìn)行電子束曝光，就會(huì)在電致抗蝕劑中留下潛像。然后將它浸入適當(dāng)?shù)娜軇┲?，則由于分子量不同而溶解度不一樣，就會(huì)使?jié)撓耧@影，如圖7－7(b)所示。將光刻與離子束刻蝕或蒸鍍工藝結(jié)合，見圖7－7(c)、(d)，就能在金屬掩?；虿牧媳砻嫔现瞥鰣D形，見圖7－7(e)、(f)。圖7－7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，留下圖形由于可見光的波長大于0.4μm，因此曝光的分辨率小于1μm較難。用電子束曝光最佳可達(dá)到0.25μm的線條圖形分解率。

此外，還有電子束摻雜、電子束熔煉等，隨著電子束加工設(shè)備、工藝的進(jìn)一步研究、應(yīng)用和完善，電子束加工的應(yīng)用前景將更加廣闊。 7.2離子束加工

7.2.1離子束加工的原理及特點(diǎn)

1.離子束加工的原理

離子束加工的原理和電子束加工的原理基本類似，也是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速聚焦，使之打到工件表面。不同的是離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千、數(shù)萬倍，如氬離子的質(zhì)量是電子的7.2萬倍，所以一旦離子加速到較高速度時(shí)，離子束比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能，它是靠微觀的機(jī)械撞擊能量，而不是靠動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能來加工的。高速電子在撞擊工件材料時(shí)，因電子質(zhì)量小、速度大，動(dòng)能幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱能，使工件材料局部熔化、汽化，它主要是通過熱效應(yīng)進(jìn)行加工的。而離子本身質(zhì)量較大，速度較低，撞擊工件材料時(shí)，將產(chǎn)生變形、分離、破壞等機(jī)械作用。例如，加速到幾十電子伏到幾千電子伏時(shí)，主要用于離子濺射加工；如果加速到1萬到幾萬電子伏，且離子入射方向與工件表面成25°~30°，則離子可將工件表面的原子或分子撞擊出去，以實(shí)現(xiàn)離子銑削、離子蝕刻或離子拋光等；當(dāng)加速到幾十萬電子伏或更高時(shí)，離子可穿入工件材料內(nèi)部，稱為離子注入。電子束加工的物理過程是用空腔理論進(jìn)行解釋的，其本質(zhì)是一種熱過程，被高速轟擊的工件材料產(chǎn)生局部蒸發(fā)，加工是通過使蒸發(fā)進(jìn)程重復(fù)進(jìn)行而實(shí)現(xiàn)的。而離子束加工的物理過程與電子束加工不同，因離子的質(zhì)量大、動(dòng)量大，其物理本質(zhì)更加復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)表明，離子束加工主要是一種無熱過程。當(dāng)入射離子碰到工件材料時(shí)，撞擊原子、分子，由于制動(dòng)作用使離子失去能量。因離子與原子之間的碰撞接近于彈性碰撞，所以離子損失的能量傳遞給原子、分子，其中一部分能量使工件材料產(chǎn)生濺射、拋出，其余能量轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧暇Ц竦恼駝?dòng)能。

2.離子束加工的特點(diǎn)

離子束加工具有如下特點(diǎn)：

（1)由于離子束可以通過電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚能掃描，離子束轟擊材料是逐層去除原子的，且離子束流密度及離子能量可以精確控制，因此離子刻蝕可以達(dá)到毫微米(0.001μm)級(jí)的加工精度，離子鍍膜可以控制在亞微米級(jí)精度，離子注入的深度和濃度也可極精確地控制。所以說，離子束加工是所有特種加工方法中最精密、最微細(xì)的加工方法，是當(dāng)代毫微米加工技術(shù)的基礎(chǔ)。（2)由于離子束加工是在高真空中進(jìn)行的，因此污染少，特別適用于對(duì)易氧化的金屬、合金材料和高純度半導(dǎo)體材料的加工。

（3)離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實(shí)現(xiàn)的，它是一種微觀作用，宏觀壓力很小，所以加工應(yīng)力、熱變形等極小，加工質(zhì)量高，適合于對(duì)各種材料和低剛度零件的加工。

（4)離子束加工設(shè)備費(fèi)用貴、成本高、加工效率低，因此應(yīng)用范圍受到一定限制。7.2.2離子束加工的裝置

離子束加工裝置與電子束加工裝置類似，它也包括離子源、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分。主要的不同部分是離子源系統(tǒng)。

離子源用以產(chǎn)生離子束流。產(chǎn)生離子束流的基本原理和方法是使離子電離。具體方法是把要電離的氣態(tài)原子(惰性氣體或金屬蒸汽)注入電離室，經(jīng)高頻放電、電弧放電、等離子體放電或電子轟擊，使氣態(tài)原子電離為等離子體。等離子體是多種離子的集合體，其中有帶電粒子和不帶電粒子，在宏觀上呈電中性。采用一個(gè)相對(duì)于等離子體為負(fù)電位的電極(吸極)，將離子由等離子體中引出而形成離子束流，而后使其加速射向工件或靶材。離子源的基本要求有：

（1)帶離子束成型裝置的離子源給出的連續(xù)束或脈沖束的束流強(qiáng)度應(yīng)能達(dá)到所要求的大小。

（2)離子源給出的離子成份應(yīng)純凈、無污染，并能達(dá)到規(guī)定的離子平均能量和最小離子速度，即離子速度差越小越好。

（3)離子源的效率要高，應(yīng)在最低工作物質(zhì)消耗率之下獲得所需要的離子束流強(qiáng)度。

（4)離子源的工作應(yīng)穩(wěn)定可靠，應(yīng)壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等。7.2.3離子束加工的應(yīng)用

離子束加工的應(yīng)用范圍正在日益擴(kuò)大、不斷創(chuàng)新。目前用于改變零件尺寸和表面機(jī)械物理性能的離子束加工有離子刻蝕加工、離子鍍膜加工、離子注入加工等，如圖7－8所示。圖7－8各類離子束加工示意圖

（a）離子刻蝕；（b）離子濺射沉積；

（c）離子鍍；（d）離子注入

1.離子刻蝕加工

離子刻蝕是通過用能量為0.5～5keV的離子轟擊工件，使工件材料原子從工件表面去除的工藝過程，它是一個(gè)撞擊濺射過程。當(dāng)離子束轟擊工件時(shí)，入射離子的動(dòng)量傳遞到工件表面原子，傳遞的能量超過了原子間的鍵合力時(shí)，靶原子就從工件表面撞擊濺射出來，從而達(dá)到刻蝕的目的。為了避免入射離子與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，必須用惰性元素的原子。氬氣的原子序數(shù)高，而且價(jià)格便宜，所以通常用氬離子進(jìn)行轟擊刻蝕。由于離子直徑很小(約十分之幾納米），可以認(rèn)為離子刻蝕的過程是逐個(gè)原子剝離的，刻蝕的分辨率可達(dá)微米甚至亞微米級(jí)，但刻蝕速度很低，剝離速度大約每秒一層到幾十層原子。因此，離子刻蝕是一種原子尺度的切削加工，又稱離子銑削。表7－1列出了一些材料的典型刻蝕率。表7－1一些材料的典型刻蝕率刻蝕加工時(shí)，對(duì)離子入射能量、束流大小、離子入射到工件上的角度以及工作室氣壓等能分別調(diào)節(jié)控制，根據(jù)不同加工需要選擇參數(shù)。用氬離子轟擊被加工表面時(shí)，其效率取決于離子能量和入射角度。離子能量從100eV增加到1000eV時(shí)，刻蝕率隨能量增加而迅速增加，而后增加速率逐漸減慢。離子刻蝕率隨入射角θ增加而增加，但入射角增大會(huì)使表面有效束流減小。一般入射角θ=40°～60°時(shí)刻蝕效率最高。目前，離子束刻蝕在高精度加工、表面拋光、圖形刻蝕、電鏡試樣制備、石英晶體振蕩器以及各種傳感器件的制作等方面應(yīng)用較為廣泛。離子束刻蝕加工可達(dá)到很高的分辨率，適于刻蝕精細(xì)圖形，實(shí)現(xiàn)高精度加工。離子束刻蝕加工小孔的優(yōu)點(diǎn)是孔壁光滑，鄰近區(qū)域不產(chǎn)生應(yīng)力和損傷，而且能加工出任意形狀的小孔。

離子刻蝕用于加工陀螺儀空氣軸承和動(dòng)壓馬達(dá)上的溝槽，其分辨率高、精度高、重復(fù)一致性好。另外，它加工非球面透鏡能達(dá)到其他方法不能達(dá)到的精度。離子束刻蝕應(yīng)用的另一個(gè)方面是刻蝕高精度的圖形，如集成電路、聲波表面器件、磁泡器件、光電器件和光集成器件等微電子學(xué)器件亞微米圖形的離子束刻蝕。

由波導(dǎo)、耦合器和調(diào)制器等小型光學(xué)元件組成可觸發(fā)的光路稱為集成光路。離子束刻蝕已用于制造和控制集成光路中的光照和波導(dǎo)。

用離子轟擊已被機(jī)械磨光的玻璃時(shí)，玻璃表面1μm左右被剝離并形成極光滑的表面。用離子束轟擊厚度為0.2mm的玻璃，能改變其折射率分布，使之具有偏光作用。玻璃纖維用離子轟擊后，變?yōu)榫哂胁煌凵渎实墓鈱?dǎo)材料。離子束加工還能使太陽能電池表面具有非反射紋理表面。離子束刻蝕還用來致薄材料，例如，用于致薄石英晶體振蕩器和壓電傳感器。致薄探測器的探頭可以大大提高其靈敏度，如國內(nèi)已用離子束加工出厚度為40μm，并且自己支撐的高靈敏探測器頭。離子束刻蝕還用于致薄樣品，以進(jìn)行表面分析，如用離子束刻蝕可以致薄月球巖石樣品，從10μm致薄到10nm。離子束刻蝕還能在10nm厚的Au-Pa膜上刻出8nm的線條。

2.鍍膜加工

離子鍍膜加工有濺射鍍膜和離子鍍兩種。

1)離子濺射鍍膜

離子濺射鍍膜是基于離子濺射效應(yīng)的一種鍍膜工藝，不同的濺射技術(shù)，所采用的放電方式是不同的。例如，直流二極濺射利用直流輝光放電，三極濺射利用熱陰極支持的輝光放電，而磁控濺射則是利用環(huán)狀磁場控制下的輝光放電。其中，直流二極濺射和三極濺射這兩種方式由于生產(chǎn)率低、等離子體區(qū)不均勻等原因，難以在實(shí)際生產(chǎn)中大量應(yīng)用，而磁控濺射具有高速、低溫、低損耗等優(yōu)點(diǎn)，鍍膜速度快，基片溫升小，沒有高能電子轟擊基片所造成的損傷，故其實(shí)際應(yīng)用更為廣泛。離子濺射鍍膜工藝適用于合金膜和化合物膜等的鍍制。在各種鍍膜技術(shù)中，濺射鍍膜最適合于鍍制合金膜。具體方法有三種：多靶濺射、鑲嵌靶濺射和合金靶濺射。這些方法均采用直流濺射，且只適合于導(dǎo)電的靶材?；衔锬ねǔＪ侵赣山饘僭氐幕衔镥兂傻谋∧?。鍍膜方法包括直流濺射、射頻濺射和反應(yīng)濺射等三種。離子濺射鍍膜的應(yīng)用舉例如下：

（1）用磁控濺射在高速鋼刀具上鍍氮化鈦(TiN)硬質(zhì)膜，可以顯著提高刀具的壽命。由于氮化鈦具有良好的導(dǎo)電性，可以采用直流濺射，直流磁控濺射的鍍膜速率可達(dá)300nm／min。鍍膜過程中，氮化鈦膜的色澤逐漸由金屬光澤變成明亮的金黃色。（2）在齒輪的齒面和軸承上可以采用離子濺射鍍制二硫化鉬(MoS2)潤滑膜，其厚度為0.2～0.6μm，摩擦因數(shù)為0.04。濺射時(shí)，采用直流濺射或射頻濺射，靶材用二硫化鉬粉末壓制成型。但為得到晶態(tài)薄膜，必須嚴(yán)格控制工藝參數(shù)。

離子濺射還可用以制造薄壁零件，其最大特點(diǎn)是不受材料限制，可以制成陶瓷和多元合金的薄壁零件。例如，某零件是直徑為15mm的管件，壁厚63.5μm，材料為10元合金，其成份(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為Fe－Ni42％、Cr5.4％、Ti2.4％、Al0.65％、Si0.5%、Mn0.4％、Cu0.05％、C0.02％、S0.008％。先用鋁棒車成芯軸，而后鍍膜。鍍膜后，用氫氧化鈉水溶液將鋁芯全部溶蝕，即可取下零件?；蛴貌讳P鋼芯軸表面加以氧化，濺射成膜后，用噴丸方法或者液態(tài)冷卻方法使之與芯軸脫離。

2）離子鍍

離子鍍是在真空蒸鍍和濺射鍍膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種鍍膜技術(shù)。此時(shí)工件不僅接受靶材濺射來的原子，還同時(shí)受到離子的轟擊，這使離子鍍具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

離子鍍膜附著力強(qiáng)、膜層不易脫落。這首先是因?yàn)殄兡で半x子以足夠高的動(dòng)能沖擊基體表面。清洗掉表面的臟污和氧化物，從而可提高工件表面的附著力。其次是因?yàn)殄兡傞_始時(shí)，由工件表面濺射出來的基材原子，有一部分會(huì)與工件周圍氣氛中的原子和離子發(fā)生碰撞而返回工件。這些返回工件的原子與鍍膜的膜材原子同時(shí)到達(dá)工件表面，形成了膜材原子和基材原子的共混膜層。而后，隨膜層的增厚，逐漸過渡到單純由膜材原子構(gòu)成的膜層。這種混合過渡層的存在，可以減少由于膜材與基材兩者膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，增強(qiáng)了兩者的結(jié)合力，使膜層不易脫落。離子鍍鍍層的組織致密，針孔氣泡少。用離子鍍的方法對(duì)工件鍍膜時(shí)，其繞射性好，使基板的所有暴露的表面均能被鍍覆。這是因?yàn)檎舭l(fā)物質(zhì)或氣體在等離子區(qū)離解而成為正離子，這些正離子能隨電力線而終止在負(fù)偏壓基片的所有邊緣。

離子鍍的可鍍材料廣泛，可在金屬或非金屬表面上鍍制金屬或非金屬材料。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。

離子鍍技術(shù)已用于鍍制潤滑膜、耐熱膜、耐蝕膜、耐磨膜、裝飾膜和電氣膜等。用離子鍍方法在切削工具表面鍍氮化鈦、碳化鈦等硬質(zhì)材料，可以提高刀具的耐用度。試驗(yàn)表明，在高速鋼刀具上用離子鍍鍍氮化鈦后，刀具耐用度可提高1～2倍；鍍碳化鈦后，刀具耐用度可提高3～8倍。而硬質(zhì)合金刀具用離子鍍鍍上一層氮化鈦或碳化鈦，刀具耐用度可提高2～10倍。

離子鍍可以得到鎢、鉬、鉭、鈮、鈹以及氧化鋁等的耐熱膜。如在不銹鋼上鍍一層氧化鋁，可提高基體在980℃介質(zhì)中的抗熱循環(huán)和抗蝕能力。在適當(dāng)?shù)幕w上鍍一層ADT－1合金，能具有良好的抗高溫氧化和抗蝕性能。這種膜可用作航空渦輪葉片型面、榫頭和葉冠等部位的保護(hù)層。在表殼或表帶上鍍氮化鈦膜，這種氮化鈦膜呈金黃色，它的反射率與18K金鍍膜相近，其耐磨性和耐腐蝕性大大優(yōu)于鍍金膜和不銹鋼，其價(jià)格僅為黃金的1／60。離子鍍裝飾膜還用于工藝美術(shù)品首飾、景泰藍(lán)以及金筆套、餐具等的修飾上，其膜原僅為1.5~2μm。

離子鍍膜代替鍍鉻硬膜，可減少鍍鉻公害。2~3μm厚的氮化鈦膜可代替20~25μm的硬鉻膜。航空工業(yè)中可采用離子鍍鋁代替飛機(jī)部件鍍鎘。

離子鍍的種類有很多，常用的離子鍍是以蒸發(fā)鍍膜為基礎(chǔ)的，即在真空中使被蒸發(fā)物質(zhì)汽化，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)離子沖擊作用的同時(shí)，把蒸發(fā)物蒸鍍?cè)诨w上。

3.離子注入加工

離子注入是將工件放在離子注入機(jī)的真空靶中，在幾十至幾百千伏的電壓下，把所需元素的離子注入工件表面。離子注入工藝比較簡單，它不受熱力學(xué)限制，可以注入任何離子，而且注入量可以精確控制。注入離子融在工件材料中，含量可達(dá)10％~40％，注入深度可達(dá)1μm甚至更深。

由于離子注入本身是一種非平衡技術(shù)，它能在材料表面注入互不相溶的