電子束和離子束加工課件

1、電子束和離子束加工,電子束和離子束加工,電子束和離子束加工,2,主要內(nèi)容,電子束加工 離子束加工,電子束和離子束加工,3,1、概述 電子束加工（Electron Beam Machining 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。,電子束加工,電子束和離子束加工,4,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

2、核工業(yè)、航空宇航、精密制造等工業(yè)部門廣泛應(yīng)用。,電子束和離子束加工,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106109w/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,電子束和離子束加工,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產(chǎn)生化學(xué)變化的原理

3、，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間，就可以達(dá)到不同的加工目的。,電子束和離子束加工,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： 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。 控制柵極既控制電子束的強(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。,圖 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,電子束和離子束加工,8,保證電子加工時所需要

4、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)度控制以及工作臺位移控制。,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),電子束和離子束加工,9,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。 束流位置控制：改變電子的方向。 工作臺

5、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。,電子束和離子束加工,10,電子束能夠極其微細(xì)地聚焦(可達(dá)l0.1 m)，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。,4、電子束加工的特點(diǎn),電子束和離子束加工,11,1-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,5、電子束加工的應(yīng)用,電

6、子束和離子束加工,12,（1）電子束打孔,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。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。 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)0.003mm，最大深徑比可達(dá)10。,電子束和離子束加工,13,電子束加工的異形孔,電子束和離子束加工,14,電子束加工彎曲的孔,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

7、強(qiáng)度，就可控制曲率半徑，加工出彎曲的孔。,電子束和離子束加工,15,（2）電子束切割,可對各種材料進(jìn)行切割，切口寬度僅有36m。 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,電子束和離子束加工,16,（3）電子束焊接,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??； 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。,電子

8、束和離子束加工,17,（4）電子束光刻,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?；虿牧媳砻嬷瞥鰣D形來。,電子束和離子束加工,18,圖 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,電子束和離子束加工,19,電子束刻蝕,電子束和離子束加工,20,（5）電子束表面改性,特點(diǎn)： A）快速加熱淬

9、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)。,電子束和離子束加工,21,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。,電子束和離子束加工,22,1、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

10、。,離子束加工,圖8-9 離子束加工原理 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,電子束和離子束加工,23,相同點(diǎn)：加工原理基本相同。 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。,2、與電子束加工的比較,電子束和離子束加工,24,2、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：,（1）離子刻蝕

11、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，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。,電子束和離子束加工,25,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。,電子束和離子束加工,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。實際上此法為一種鍍膜工藝 。,電子束和離子束加工,27,（3）離

12、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，目前已獲得廣泛應(yīng)用。,電子束和離子束加工,28,（4）離子注入,用5500keV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

13、。,電子束和離子束加工,29,3、特點(diǎn),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。,電子束和離子束加工,30,4、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。 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、壓電傳感器用晶片、陀螺轉(zhuǎn)子軸承

14、表面上的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、微型加速計的精確質(zhì)量塊以及超精密加工用的單晶金剛石刀具。,電子束和離子束加工,圖 離子束刻蝕機(jī),電子束和離子束加工,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)十萬電子伏特的高能離子流，轟擊工件表面，離子因動能很大，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)生變化。 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，改善金屬材料的潤滑性能等。,離子注入,電子束和離子束加工,圖 多功能離子束增強(qiáng)沉積設(shè)備,電子束和離子束加工,34,離子鍍和離子濺射鍍膜,（1）精密滾

15、珠軸承采用離子鍍膜后，使用壽命延長到數(shù)千小時； （2）刀具鍍以幾微米厚的TiN、TiC涂層后，壽命提高310倍； （3）在鈦合金葉片上沉積一層貴金屬（Pt、Au、Rh等）涂層，可使疲勞強(qiáng)度增加30%，抗氧化與耐腐蝕能力也大大提高。,電子束和離子束加工,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動能沖擊基體表面，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，由工件表面濺射出來的基材原子，有一部分會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。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