特種加工第六章

特種加工第六章第1頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第一節(jié)電子束加工一、電子束加工的原理和特點(diǎn)二、電子束加工裝置三、電子束加工的應(yīng)用第2頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六一、電子束加工的原理和特點(diǎn)（一）電子束加工的原理（二）電子束加工的特點(diǎn)第3頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（一）電子束加工的原理電子束加工是在真空條件下，利用聚焦后能量密度極高的電子束，以極高的速度沖擊到工件表面極小面積上，在極短的時(shí)間內(nèi)，其能量的大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使被沖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氣化，被真空系統(tǒng)抽走。根據(jù)電子束能量密度的大小和能量注入時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)：熱處理焊接打孔、切割電子束光刻加工第4頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（二）電子束加工的特點(diǎn)1）由于電子束能夠極其微細(xì)的聚焦，甚至能聚焦到0.1um，所以加工面積可以很小，是一種精密細(xì)微的加工方法。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氣化溫度，去除材料主要靠瞬時(shí)蒸發(fā)，是一種非接觸式加工。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。第5頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六3）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厚的鋼板上加工50個(gè)直徑為0.4mm的孔。4）可以通過磁場(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，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型孔，實(shí)現(xiàn)曲面弧形切割等。第6頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六5）由于電子束加工是在真空中進(jìn)行，因而污染少，加工表面不會(huì)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。第7頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六二、電子束加工裝置（一）電子槍（二）真空系統(tǒng)（三）控制系統(tǒng)和電源第8頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第9頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第10頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第11頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第12頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（一）電子槍發(fā)射陰極（鎢、鉭）、控制柵極、加速陽極電磁透鏡第13頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（二）真空系統(tǒng)

電子高速運(yùn)動(dòng)金屬蒸汽機(jī)械旋轉(zhuǎn)泵油擴(kuò)散泵或渦輪分子泵第14頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（三）控制系統(tǒng)和電源束流聚焦控制為了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。利用高壓靜電場(chǎng)電磁透鏡電磁線圈軸向磁場(chǎng)端面徑向磁場(chǎng)第15頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第16頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六束流位置控制電子束方向電磁偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)電壓或電流程序控制電子束焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡束流強(qiáng)度控制第17頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六工作臺(tái)位移控制電子束偏轉(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電子束加工裝置對(duì)電源電壓的穩(wěn)定性要求較高，常用穩(wěn)壓設(shè)備，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。第18頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六三、電子束加工的應(yīng)用（一）高速打孔（二）加工型孔及特殊表面（三）刻蝕（四）焊接（五）熱處理（六）光刻第19頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第20頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（一）高速打孔最小直徑可達(dá)0.003mm左右。發(fā)動(dòng)機(jī)套上的冷卻孔機(jī)翼吸附屏上的孔孔的密度和直徑可以變化，孔數(shù)達(dá)數(shù)百萬個(gè)。在0.1mm厚的不銹鋼上加工直徑為0.2mm的孔，每秒鐘可達(dá)3000個(gè)。第21頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六在人造革、塑料上打大量微孔，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，每秒可打50000個(gè)，孔徑120～40um可調(diào)。電子束還能加工小深孔，如在葉片上打深度為5mm、直徑0.4mm的孔，深徑比大于10。加工玻璃、陶瓷、寶石溫差變形、破裂用電阻爐或電子束進(jìn)行預(yù)熱。第22頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（二）加工型孔及特殊表面加工噴絲頭異型孔第23頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第24頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六切割種復(fù)雜型面切口寬度３～６μｍ，邊緣表面粗糙度0.5μｍ離心過濾機(jī)、造紙化工過濾設(shè)備鋼板上的小錐孔防止堵塞反沖清洗燃燒室混氣板及某些透平葉片上不同方向的斜孔燃?xì)廨啓C(jī)上的葉片、混氣板和蜂房消音器上的孔第25頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六也可以加工彎孔和曲面第26頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第27頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第28頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（三）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)溝槽和孔。還可在加工過程中對(duì)電阻值進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)。電子束刻蝕還可用于制版，在銅制印刷滾筒上按色調(diào)深淺刻出許多大小與深淺不一的溝槽或凹坑。第29頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第30頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（四）焊接高能量密度的電子束毛細(xì)管狀的熔池，沿著焊縫與電子束做相對(duì)運(yùn)動(dòng)能量密度高，焊接速度快，焊縫深而窄，焊件熱影響區(qū)小，變形小。不用焊條，真空中進(jìn)行，焊縫化學(xué)成分純凈，強(qiáng)度高于母材。第31頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六可焊接鉭、鈮、鉬等難熔金屬，也可焊接鈦、鋯、鈾等活潑金屬，可焊接普通碳鋼、不銹鋼、合金鋼、銅、鋁，可焊接很薄和很厚的工件可實(shí)現(xiàn)異種金屬的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。熱影響小、變形小，工件精加工后焊接，可將復(fù)雜的零件分成幾個(gè)零件進(jìn)行加工，單獨(dú)使用最合適的材料，然后用電子束焊接到一起。第32頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第33頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（五）熱處理加熱和冷卻速度很快，奧氏體化時(shí)間很短，只有幾分之一秒到千分之一秒，可得到奧氏體超細(xì)晶粒組織高硬度跟激光相比，熱轉(zhuǎn)換效率高，防止材料氧化，功率比激光功率大。金屬達(dá)到表面熔化，可在熔化區(qū)添加元素，使金屬表面改性，形成新的合金層，獲得更好的物理力學(xué)性能。鑄鐵熔化處理萊氏體組織抗滑動(dòng)磨損鋁、鈦、鎳添加元素耐磨性能第34頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（六）光刻用低功率密度的電子束照射電致抗蝕劑，由于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，稱為電子束曝光，留下潛像，然后顯影、蒸鍍、離子刻蝕，去掉抗蝕劑，留下圖形?？捎糜诩庸ぜ呻娐肪苡∷娴?。第35頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第36頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第二節(jié)離子束加工一、離子束加工原理、分類和特點(diǎn)二、離子束加工裝置三、離子束加工的應(yīng)用第37頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六一、離子束加工原理、分類和特點(diǎn)（一）離子束加工的原理和物理基礎(chǔ)（二）離子束加工分類（三）離子束加工的特點(diǎn)第38頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（一）離子束加工的原理和物理基礎(chǔ)離子帶正電荷，質(zhì)量比電子大成千上萬倍，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。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)。第39頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（二）離子束加工分類離子刻蝕離子濺射沉積離子鍍離子注入第40頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第41頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第42頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第43頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第44頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第45頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（三）離子束加工的特點(diǎn)（1）由于離子束可以通過電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦掃描，離子束轟擊材料是逐層去除原子，離子束流密度及離子能量可以精確控制，所以離子刻蝕可以達(dá)到納米級(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的控制。因此，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)代納米加工技術(shù)的基礎(chǔ)。第46頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（2）由于離子束加工是在高真空中進(jìn)行，所以污染少，特別適用用對(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)用高、成本高，加工效率低，因此應(yīng)用范圍受到一定限制。第47頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六二、離子束加工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原子電離。具體辦法是把要電離的氣態(tài)原子注入電離室，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。用一個(gè)相對(duì)于等離子體為負(fù)電位的電極，就可以從等離子體中引出正離子束流。第48頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（一）考夫曼型離子源（二）雙等離子體型離子源第49頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第50頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第51頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六三、離子束加工的應(yīng)用（一）刻蝕加工（二）鍍膜加工（三）離子注入加工第52頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（一）刻蝕加工離子刻蝕是從工件上去除材料，是一個(gè)撞擊濺射過程。原子間鍵合力惰性元素氬氣原子序數(shù)高價(jià)格便宜逐個(gè)原子剝離微米或亞微米級(jí)蝕除速度很低每秒一層到幾十層原子第53頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六刻蝕加工時(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都能分別調(diào)節(jié)控制。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到1000eV增加時(shí)，刻蝕率增加，而后增加速率逐漸減慢。離子刻蝕率隨入射角增加而增加，但入射角增大會(huì)使表面有效束流減小，一般入射角在40~60度時(shí)刻蝕效率最高。第54頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六加工陀螺儀空氣軸承和動(dòng)壓馬達(dá)上的溝槽，分辨率高，精度、重復(fù)一致性好。加工非球面透鏡能達(dá)到其他方法不能達(dá)到的精度。第55頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六航天、航空中動(dòng)壓馬達(dá)止推板和陀螺馬達(dá)軸上的精密槽線第56頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六刻蝕高精度的圖形，如集成電路、聲表面波器件、磁泡器件、光電器件和光集成器件等微電子學(xué)器件亞微米圖形由波導(dǎo)、耦合器和調(diào)制器等小型光學(xué)元件組合制成的光路稱為集成光路。離子束刻蝕已用于制作集成光路中的光柵和波導(dǎo)。第57頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六轟擊被機(jī)械磨光的玻璃，形成極光滑的表面，改變其折射率分布，使之具有偏光作用。轟擊玻璃纖維，變?yōu)榫哂胁煌凵渎实墓鈱?dǎo)材料。使太陽能電池表面具有非反射紋理表面。第58頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六離子束刻蝕還用來致薄材料，用于致薄石英晶體振蕩器和壓電傳感器。致薄探測(cè)器探頭，可以提高其靈敏度。

用于致薄樣品，進(jìn)行表面分析，例如可以致薄月球巖石樣品，從10微米致薄到10納米。能在１納米厚的Au-Pa膜上刻出８納米寬的線條。第59頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（二）鍍膜加工離子鍍膜加工有濺射沉積和離子鍍兩種。離子鍍時(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)。第60頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六離子鍍膜附著力強(qiáng)、膜層不易脫落。清洗掉表面的沾污和氧化物提高工件表面附著力形成混合過渡層減少膜材與基材熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，增強(qiáng)兩者的結(jié)合力，使膜層不易脫落，鍍層組織致密，針孔氣泡少。第61頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六繞射性好，使基板的所有暴露的表面均能被鍍覆。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。第62頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六離子鍍技術(shù)已用于鍍制潤(rùn)滑膜、耐熱膜、耐蝕膜、耐磨膜、裝飾膜和電氣膜等氮化鈦18Ｋ金鍍膜耐磨性耐腐蝕性價(jià)格1/60用于首飾、景泰藍(lán)、金筆套、餐具等。離子鍍代替鍍硬鉻，可減少公害。航空工業(yè)中可采用離子鍍鋁代替飛機(jī)部件鍍鎘。用離子鍍方法在切削工具表面鍍氮化鈦、碳化鈦等超硬層，可以提高刀具的耐用度?？捎糜谔幚睚X輪滾刀、銑刀第63頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六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)氣化，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。空心陰極放電離子鍍效率高、膜層質(zhì)量好。第64頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六第65頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六（三）離子注入加工離子注入是向工件表面直接注入離子，它不受熱力學(xué)限制，可以注入任何離子，并且注入量可以精確控制。用硼、磷等注入半導(dǎo)體，用以改變導(dǎo)電形式和制造P-N結(jié)。由于離子注入的數(shù)量、P-N結(jié)的含量、注入的區(qū)域都可以精確控制，可以滿足熱擴(kuò)散法難以達(dá)到的要求。第66頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六離子注入可以改變金屬表面的物理化學(xué)性能，制得新的合金從而改善金屬表面的耐腐蝕性能、耐磨性能、硬度、抗疲勞性能、潤(rùn)滑性能等。第67頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六離子注入對(duì)金屬表面進(jìn)行摻雜，是在非平衡狀態(tài)下進(jìn)行的，能注入互不相容的雜質(zhì)而形成一般冶金工藝無法制得的一些新的合金。如將Ｗ注入到低溫的Cu靶中，可以得到W-Cu合金。第68頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六離子注入可以提高材料的耐蝕性。例如把Cr注入Cu，能得到一種新的亞穩(wěn)態(tài)的表面相，從而改善耐蝕性。離子注入還能改善金屬材料的抗氧化性能。第69頁，共76頁，2023年，2月20日，星期六離子注入可以改善金屬材料的耐磨性能。例如在低碳鋼中注入Ｎ、Ｂ、Ｍｏ等，在磨損過程中，表面局部溫升形成溫度梯度，使注入離子向襯