电子束加工课件

电子束加工★电子束加工原理

电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短时间内，其能量的大部分转化为热能，使被冲击部分的工件材料达到摄氏几千度的高温，使材料局部熔化、气化，被真空系统抽走。（光盘）

控制电子束能量密度的大小和能量注入的时间，就可以达到不同的加工目的。电子束热处理：只使材料局部加热电子束焊接：使材料局部熔化就可以进行材料的切割及打孔：提高电子束的能量，使材料熔化气化，就可以进行电子束光刻加工：利用较低能量的电子束轰击高分子材料，可进行电子束加工特点:1、由于电子束能够极其细微的聚焦，最小能够聚焦倒0.1微米，所以加工面积可以很小，是一种精密细微的加工方法。2、电子束能量密度极高，使照射部分的温度超过材料的熔化气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工。工件不受机械力的作用，不产生宏观应力和变形。加工材料的范围很广，对脆性、韧性、导体、半导体材料都可以加工。3、电子束能量密度极高，生产效率很高容易实现自动化。（例如每秒钟可在2.5毫米厚的钢板上钻50个直径为0.4毫米的小孔）4、可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，所以整个加工过程便于实现自动化。特别是在电子束曝光中，从加工位置找准到加工图形的扫描,都可实现自动化。在电子束打孔和切割时，可以通过电气控制加工异形孔，实现曲面弧形切割等。5、由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工表面不会氧化,特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。6、需要一整套专用设备及真空系统价格较贵，生产应用有一定局限性。电子束加工装置：

电子束加工装置主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等组成（如图6-2）电子枪：是获得电子束的装置。它包括电子发射阴极、控制栅极、加速阳极等（如图6-2，6-3）阴极经电流加热到高温发射大量电子，在阴极表面形成一团密集的电子云，带负电荷的电子向阳极飞奔，在此过程中，经过加速阳极加速，又经过电磁透镜，把电子束聚焦成很小的束斑。，发射阴极一般由钨、钽制成，小功率时发射阴极作成丝状，大功率时发射阴极作成块状。控制栅极为中间有孔的圆筒形，它能控制电子束的强弱，还有初步聚焦的作用。加速阳极通常接地，能驱使电子加速。真空系统：抽走加工过程中产生的金属蒸汽（电子只有在真空中才能高速运动，另外，金属蒸汽会影响加工的稳定性）。

真空系统一般由机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两级组成。控制系统：包括:

束流聚焦控制束流位置控制束流强度控制工作台位移控制束流位置控制：是为了改变电子束的方向。常用电磁偏转来控制电子束焦点的位置以实现零件的加工。（如果使偏转电压或电流按一定程序变化，电子束焦点便按预定轨迹运动。）束流聚焦控制：是为了提高电子束的能量密度，使电子束聚焦成很小的束斑，它基本上决定了加工点的孔径或缝宽。聚焦有两种方法：利用高压静电场、利用电磁透镜（实际上是一个电磁线圈，它所产生的磁场使每个电子的合成运动为为一个半径越来越小的空间螺旋线而聚焦于一点。）工作台位移控制：在加工过程中控制工作台位置，并与电子束的偏转相配合，以实现大面积加工。（因为电子束偏转只有几毫米）电源：提供加工时所需能量。（电子束加工对电源的稳定性要求较高。常用稳压设备。因为电子束聚焦、阴极的发射强度与电压波动有密切关系）（光盘）电子束加工的应用:

电子束加工按其功率密度和能量注入时间的不同，可用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理和光刻加工等。（一）高速打孔

电子速打孔已在生产中实际应用，目前最小直径可达φ0.003mm左右。例如喷气发动机套上的冷却孔，机翼的吸附屏的孔，不仅孔的密度可以连续变化，孔数达数百万个，而且有时还可改变孔径，最宜用电子束高速打孔，高速打孔可在工件运动中进行，例如在0.1mm厚的不锈钢上加工直径为φ0.2mm的孔，速度为每秒3000孔。在人造革、塑料上用电子束打大量微孔，可使其具有如真皮革那样的透气性。现在生产上已经出现了专用塑料打孔机，将电子枪发射的片状电子束分成数百条小电子束同时打孔，速度可达每秒50000孔，孔径120~40um，可调。电子束打孔还能加工小深孔，如在叶片上打深度5mm、直径φ0.4mm的孔，孔的深径比大于10：1。用电子束加工玻璃、陶瓷、宝石等脆性材料时，由于在加工部位的附近有很大温差，容易引起变形甚至破裂，所以在加工前或加工时，需用电阻炉或电子束进行预热。（二）加工型孔及特殊表面

图6.5为电子束加工的喷丝头异形孔截面的一些实例。出丝口的窄缝宽度为0.03~0.07mm,长度为0.80mm,喷丝板厚度为0.6mm。为了使人造纤维具有光泽、松软有弹性、透气好喷丝头的异形孔都是特殊形状的。电子束可以用来切割各种复杂型面，切口宽度为6~3um，边缘表面粗糙度可控制在Rmax0.5um左右。

离心过滤机、造纸化工过滤设备中钢板上的小孔为锥孔(上小下大)，这样可防止堵塞,并便于反冲清洗。用电子束在厚1mm的不锈钢板上打φ0.13mm的锥孔，每秒可打20孔。燃烧室混气板及某些涡轮机叶片需要大量的不同方向的斜孔，使叶片容易散热,从而提高发动机的输出功率。如某种叶片需要打斜孔30000个，使用电子束加工能廉价地实现。燃气轮机上的叶片、混气板和蜂房消声器等三个重要部件已用电子束打孔代替电火花打孔。电子束不仅可以加工各种直的型孔和型面，也可以加工弯孔和曲面。利用电子束在磁场中偏转的原理，使电子束在工件内部偏转。控制电子速度和磁场强度，即可控制曲率半径，加工出弯曲的孔。如果同时改变电子束和工件的相对位置，就可进行切割和开槽。图6.6a是对长方形工件1施加磁场之后，若一面用电子束2轰击，一面依箭头方向移动工件，就可获得如实线所示的曲面。经图6.6a所示的加工后，改变磁场极性再进行加工，就可获得图6.6b所示的工件。同样原理，可加工出6.6c所示的弯缝。如果工件不移动，只改变偏转磁场的极性进行加工，就可获得图6.6d所示的入口为一个而出口为两个的弯孔。（三）刻蚀

在微电子器件的生产中，为了制造多层固体组组件，可利用电子束对陶瓷或半导体材料刻出许多微细沟槽和孔来,如在硅片上刻出宽2.5um，深0.25um的细槽，在混合电路电阻的金属镀层上刻出40um宽的线条。还可在加工过程中对电阻值进行测量校准，这些都可用计算机自动控制完成。电子束刻蚀还可用于制版，在铜制印刷滚筒上按色调深浅刻出许多大小与深浅不一的沟槽或凹坑，其直径为70~120um，深度为5~40um，小坑代表浅色，大坑代表深色。（四）焊接电子束焊接，是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。当高能量密度的电子束轰击焊件表面时,使焊件接头处的金属熔融,在电子束连续不断地轰击下,形成一个被熔融金属环绕着的毛细管状的熔池,如果焊件按一定速度沿着焊件接缝与电子束作相对移动,则接缝上的熔池由于电子束的离开而重新凝固,使焊件的整个接缝形成一条焊缝。

由于电子束的能量密度极高，焊接速度快，所以电子束焊接的焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。可在工件精加工后进行，一般不用焊条，在真空中进行，因此，焊缝的化学成分纯净，焊接接头的强度往往高于母材。电子束焊接可以焊接难熔金属，也可焊接化学性能活泼的金属。普通碳钢、不锈钢、合金钢、铜、铝等各种金属也可使用电子束进行焊接。可以焊很薄的工件，也可焊几百毫米厚的工件。

可以实现异种金属焊接（两种不同材料的焊接），如铜和不锈钢的焊接，钢和硬质合金的焊接，铬、镍和钼的焊接等。由于电子束焊接能够实现异种金属焊接,所以就有可能将复杂的工件分成几个零件,这些零件可以单独地使用最合适的材料,采用合适的方法来加工制造,最后利用电子束焊接成一个完整的零部件,从而可以获得理想的技术性能和显著的经济效益。（五）热处理电子束热处理也是把电子束作为热源,但适当降低电子束的功率密度,使金属表面加热而不熔化,达到热处理的目的。电子束热处理的加热速度和冷却速度都很高,在相变过程中,奥氏体化时间很缩,只有几分之一秒乃至千分之一秒,奥氏体晶粒来不及长大,从而能获得一种超细晶粒组织,可使工件获得用常规热处理不能达到的硬度,硬化深度可达0.3~0.8mm。

电子束热处理与激光热处理类同,但电子束的电热转换效率高,可达9O%,而激光的转换效率只有7%~10%。电子束热处理在真空中进行,可以防止材料氧化,电子束设备的功率可以做得比激光功率大,所以电子束热处理工艺很有发展前途。如果用电子束加热金属达到表面熔化,可在熔化区加人其他元素,使金属表面改性,形成一层很薄的新的合金层,从而获得更好的物理力学性能。铸铁的熔化处理可以产生非常细的莱氏体结构,其优点是抗滑动磨损。铝、钛、镍的各种合金几乎全可进行添加元素处理,从而得到很好的耐磨性能。（六）电子束光刻

毛子束光刻是先利用低功率密度的电子束照射称为电致抗蚀剂的高分子材料,由入射电子与高分子相碰撞,使分子的链被切断或重新聚合而引起分子量的变化,这一步骤称为电子束曝光,如图⒍7a所示。如果按规定图形进行电子束曝光,就会在电致抗蚀剂中留下潜像。然后将它浸入适当的溶剂中,则由于相对分子质量不同而溶解度不一样,就会使潜像显影出来,如图⒍7b所示。将电子束光刻与离子束刻蚀或蒸镀工艺结合,见图6-7c、d,就能在金属掩膜或材料表面上制出图形来,见图6-7e、f。离子束加工一、离子束加工原理、分类和特点★加工原理：离子束加工原理与电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击到工作表面。靠微观的机械撞击能量来加工工件。（不是靠动能转化成热能来加工）（与电子束加工不同的是：电子带负电荷，而离子带正电荷。离子的质量比电子大数千、数万倍，所以一旦离子加速到较高的速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能。）★离子束加工的物理基础：是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。具有一定动能的离子斜射到工件材料（或靶材）表面时，可以将表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应。如果将工件直接作为离子轰击的靶材，工件表面就会受到离子刻蚀（也称离子铣削）。如果将工件放置在靶材的附近，靶材的原子就会溅射到工件表面，使工件表面吸附了一层靶材原子的薄膜（即镀了一层）如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时，离子就会钻进工件表面，这就是离子的注入效应。★离子束加工的分类：（按所利用的物理效应和达到目的的不同，可分为四类）

离子刻蚀：利用离子撞击和溅射效应倾斜轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离是一种原子尺度的切削加工，属毫微米加工工艺，又称离子铣削。（如图6-8A）离子射溅沉积：倾斜轰击某种材料制成的靶，离子将靶材原子轰出，垂直沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层膜。（如图6-8B）离子镀（离子溅射辅助沉积）：在镀膜时，离子同时轰击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材（靶材）和工件基材之间的结合力。（如图C）离子注入：较高能量的离子束，直接垂直轰击被加工材料，离子钻入被加工表面层，改变了工件表面材料的化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理和化学性能。根据不同的目的选用不同的注入离子，如：磷、硼、碳、氮。（如图D）离子束加工的特点：

是所有特种加工方法中最精密、最细微的加工方法，是纳米加工技术的基础。

是在高真空中进行，污染少，特别适用于易氧化的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。

离子束加工是一种微观作用，宏观压力很小，所以，加工应力、热变性极小，加工质量高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。

离子束加工设备费用贵、成本高，加工效率低。二、离子束加工装置：离子束加工装置与电子束加工装置类似，包括：

离子源（用来产生离子束，常用的有：考夫曼型离子源和双等离子体型离子源）

真空系统

控制系统

电源等

离子源用以产生离子束流。产生离子束流的基本原理和方法是使原子电离。具体办法是：

把要电离的气态原子（如氩等惰性气体或金属蒸气）注人电离室,经高频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击,使气态原子电离为等离子体（即正离子数和负电子数相等的混合体）。用一个相对于等离子体为负电位的电极（吸极）,就可从等离子体中引出正离子束流。

根据离子束产生的方式和用途的不同，离子源有很多形式，常用的有：

考夫曼型离子源

双等离子管型离子源三、离子束加工的应用：目前用于改变零件尺寸和表面物理力学性能的离子束加工有：用于从工件上作取出加工的离子刻蚀加工用于给工件表面涂覆的离子镀膜加工用于表面改性的离子注入加工刻蚀加工：离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击射溅过程。（当离子束轰击工件时，射入离子的动量传递到工件表面的原子，传递能量超过了原子间的键合力时，原子就从工件表面撞击溅射出来，达到蚀刻的目的，）可认为是逐个原子的剥离。刻蚀速度很低，其分辨率可达微米级甚至亚微米级。

为了避免射入离子与工件材料发生化学反应，必须使用惰性元素的离子，通常用氩离子进行轰击刻蚀。刻蚀加工时，对离子入射能量、束流大小、离子入射到工件上的角度、工作室气压等都能分别调节控制，以上参数应根据不同加工需要进行选择。

用氩离子轰击被加工表面时，其效率取决于离子能量和入射角。

刻蚀率随能量增加而迅速增加，能量增大到一定程度后再增加刻蚀速率逐渐减慢。

刻蚀率随入射角增加而增加，但入射角增大会使表面有效束流减小，入射角在400—600时刻蚀率最高。

离子刻蚀的应用：离子刻蚀用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达的沟槽效果很好。加工非球面透镜能达到别的加工方法所不能达到精度（图6-11）

刻蚀高精度的图形，如集成电路、声表面波器件、磁泡器件、光电器件和光集成器件等微电子学器件亚微米图形。用离子束轰击已被机械磨光的玻璃，可得到极光滑的表面。玻璃纤维用离子束轰击后，变为具有不同折射率的光导材料。等镀膜加工:离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种离子镀时，工件受到靶材和离子的同时轰击，使得离子镀膜具有许多独特的优点：

附着力强、膜层不易脱落；用离子镀的方法对工件进行镀膜时，其绕射性好，使基板所有暴露的表面均能被镀复。离子镀技术已用于润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨膜（刀具镀膜氮化钛、碳化钛）、装饰膜（手表镀膜氮化钛、工艺美术品等）和电器膜等。三、离子注入加工

离子注入是向工件表面直接注入离子，它不受热力学的影响，可以注入任何离子，且注入量可以精确控制，注入的离子是固溶在金属材料中，含量可达10%--40%，注入深度可达1微米甚至更深。离子注入是制作半导体器件和大面积集成电路的重要手段离子注入可以改变工件表面性能，如改善金属表面的抗蚀性能、抗疲劳性能、润滑性能、和耐磨性能等。总之，离子注入的应用范围在不断扩大，今后将会发现更多的应用。补充：电子束“毛化”技术是一种新型电子束表面加工技术，它借助于电磁场对电子束进行复杂扫描控制而在金属材料表面产生特殊的成型效果,是在复杂磁场控制下电子束使金属快速熔化、流动、堆积和凝固的复杂冶金过程。该技术在真空环境中，通过快速响应偏转线圈并用复杂信号控制程序精确控制电子束流，使其按照某种特定的方式、特定的规律、一定的速度和能量作用于材料表面，并在材料表面形成微小金属的熔池。一旦材料开始形成熔池，电子束将通过磁场的扫描控制被迅速转移到其他位置，而熔化的液态金属在表面张力及金属蒸气压力的共同作用下，向电子束流移动相反的方向流动，并在熔池后方快速冷却、凝固。随着束流的重复扫描，熔池前端的金属被继续转移到熔池后端，经过不断的堆积、冷却、凝固，逐渐形成一定形状和大小的“凸起”（毛刺），产生表面“毛化”的效果，而在熔池前端形成很小的凹坑或者凹槽状的“刻蚀”。“凸起”（毛刺）的生长过程如图1所示。如果能够同时控制电子束的束流参数（包括电子束的加速电压、电流和聚焦程度），加上特殊的扫描波形，即可产生各种不同的“毛化”表面如图所示（英国焊接研究所资料）。并且任何形貌的结构都可以通过改变电子束焦点的尺寸、形状、入射角及其他特征分布来定制客户所需的表面，目前已经成功制备尺寸从几十微米到十几毫米的毛刺凸起。该项技术不仅能够达到其他工艺方法无法实现的表面效果，而且在真空操作下可以避免因高温导致金属材料表面被氧化或被污染。1.2国内外研究进展电子束“毛化”技术最早由英国焊接研究所最新报道，并已取得很大进展（见图4）。它可以根据需要在材料表面定制不同的形貌（如形状、大小、角度、密度等）。主要可用于涂层制备的表面预处理、金属和复合材料连接、人体关节表面处理、散热器件的表面造型设计等。国内，北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室在前期多束流电子束加工技术（国家自然科学基金项目）的基础上首次实现了电子束“毛化”技术，在不同的金属材料上，获得了不同的电子束“毛化”效果（见图5），掌握了一定的规律，并开展了初步的应用性探索，取得了较大的进展。2电子束“毛化”技术在复合材料制造领域的应用2.1

Comeld连接技术（预埋连接技术）Comeld（Composite-Metal-Weld）技术是一种基于电子束“毛化”技术的连接金属和复合材料的新技术，这种连接接头是利用电子束“毛化”技术将金属件进行表面处理，“毛化”成所需要的表面形貌，然后将金属件与复合材料通过加温加压共固化而得到的，如图6所示。图7为Comeld连接接头的截面图，从图中可以看出这样“毛化”得到的金属表面的“毛刺”嵌入到复合材料中，使“毛刺”与复合材料尤其是与纤维之间相互作用，通过增强界面强度，可以提高金属与复合材料连接部位的承载能力。2.2

Comeld技术的应用进展在新一代飞机的设计制造中，由于复合材料成型工艺技术水平和使用性能的局限性，复合材料构件不可避免地要与金属相连接，这就给复合材料构件的使用和安装带来大量的连接技术问题，如果连接不好，这些连接件就会成为整体结构的薄弱环节。有数据表明，在复合材料结构件中有一半以上的破坏位置都发生在连接部位。可见复合材料的连接技术是复合材料工程应用中的关键因素。如今，这种新型Comeld连接技术的出现带来了新的研究设计方向，可以弥补传统连接技术——胶接和机械连接（如铆接、螺接等）在某些应用条件下的不足，如高温胶膜缺乏、铆钉带来的应力集中等。根据英国焊接研究所的研究，这种Comeld连接接头比传统的同尺寸连接接头能承受更高的载荷，断裂前吸收的能量也远高于后者，同时由于“毛刺”在连接部位的均布化，能很大程度地降低铆接等机械连接带来的应力集中，而且可以通过优化毛刺的结构及分布形式提高这种接头的韧性。并且，还可以用在其他方式结构上，如在复合材料工件制造时，也可先在工件周围用此法连接一金属边缘，然后焊接到其他金属结构上去。图8为Comeld连接接头的失效示意图。3结束语（1）电子束“毛化”技术高效、高精度、表面形貌可定制的加工特点使其在材料表面处理、复合材料制造等领域有着重要的应用。（2）基于电子束“毛化”技术的金属与复合材料comeld连