特种加工论文-电子束加工和离子束技术的原理及电子束加工的应用

电子束加工和离子束技术的原理及电子束加工的应用

一、电子束加工和离子束技术的原理及其比较

1、电子束加工的原理

电子束是在真空条件下，利用聚焦后能量极高(106〜109w/cm2)的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间(几分之一微妙)内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化，被真空系统抽走。

下面特殊介绍一下快速扫描电子束加工技术原理，通过对电子枪偏转线圈和聚焦线圈的控制，使电子束在工件上按特定的轨迹、速率和能量快速偏转而实现快速扫描电子束加工。由于电子束几乎没有质量和惯性，可以实现非接触的偏转，而且通过电压控制，可以在不同的位置切换时控制束流通断，这样，束流就可以在构件的不同位置以极高的频率切换。由于材料的热惯性，通过束流与材料的相互作用，在这些位置上就会同时产生冶金效果，实现电子束的扫描加工。

总的来说，电子束加工的基本原理是：在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子，在高电压(30〜200千伏)作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成一束高功率密度(105〜109w/cm2)的电子束。当冲击到工件时，电子束的动能立即转变成为热能，产生出极高的温度，足以使任何材料瞬时熔化、气化，从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散射，因此，加工一般在真空中进行。

电子束加工机由产生电子束的电子枪、控制电子束的聚束线圈、使电子束扫描的偏转线圈、电源系统和放置工件的真空室，以及观察装置等部分组成。先进的电子束加工机采用计算机数控装置，对加工条件和加工操作进行控制，以实现高精度的自动化加工。电子束加工机的功率根据用途不同而有所不同，一般为几千瓦至几十千瓦。

2、离子束技术的原理

离子束加工技术是在真空条件下，将氩、氪、氙等惰性气体通过离子源产

生离子束，经加速、集束、聚焦后，射到被加工表面上以实现各种加工的方法。根据所利用的物理效应和达到的目的，可分为离子束溅射去除加工、离子束溅射镀膜加工、离子束注入加工和离子束曝光等几种。其特点可归纳如下：（1）加工精度和表面质量高。离子束轰击材料是逐层去除原子或分子，离子束流密度离子能量可以精确控制，其加工精度可达纳米级（0.001um）。

由于加工时被加工表面层不产生热量，不引起机械应力和损伤，故加工质量高。

（2）加工材料广泛。由于离子束加工原理是力效应，故对脆性、半导体、高分子等材料都可加工。且加工在真空下进行，故也适用于加工易氧化的金属、合金等材料。

（3）加工方法丰富。离子束加工可进行去除、镀膜、注入、曝光等多种加工方法。

（4）控制性能好，易于实现自动化。离子束加工被认为是最有前途的超精密加工和微细加工方法，是当代纳米加工技术的基础。目前，离子束加工尚处于不断发展中。本文从离子束溅射的力学原理出发，对离子束溅射去除加工的有关问题进行了研究。

3、电子束加工和离子束加工的原理比较

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，在极短的时间（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。如只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可以进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，就可以进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子光敏材料时产生化学变化的原理，即可以进行电子束光刻加工。

离子束加工的原理和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，使之撞击到工件表面。不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，如氩离子的质量是电子的7.2万倍，所以一旦离子

加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。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；如果将工件放置在靶材附近，靶材原子就会溅射到工件表面而被溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的镀膜；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。

二、电子束加工的应用

1.电子束钻孔

用聚焦方法得到很细的、功率密度为10〜10瓦/厘米的电子束周期地轰击材料表面的固定点，适当控制电子束轰击时间和休止时间的比例，可使被轰击处的材料迅速蒸发而避免周围材料的熔化，这样就可以实现电子束刻蚀、钻孔或切割。同电子束焊接相比，电了束刻蚀、钻孔、切割所用的电子束功率密度更大而作用时间较短。电子束可在厚度为0.1〜6毫米的任何材料的薄片上钻直径为1 至几百微米的孔，能获得很大的深度一孔径比，例如在厚度为0.3毫米的宝石轴承上钻直径为25微米的孔。电子束还适合在薄片（例如燃气轮机叶片）上高速大量地钻孔。不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、玻璃等各种材料上的小孔、深孔。最小加工直径可达0.003mm，最大深径比可达10。像机翼吸附屏的孔、喷气发动机套上的冷却孔，此类孔数量巨大（高达数百万），且孔径微小，密度连续分布而孔径也有变化，非常适合电子束打孔，塑料和人造革上打许多微孔，令其象真皮一样具有透气性。一些合成纤维为增加透气性和弹性，其喷丝头型孔往往制成异形孔截面，可利用脉冲电子束对图形扫描制出。

2.电子束切割

可对各种材料进行切割，切口宽度仅有3〜6^m。利用电子束再配合工件的相对运动，可加工所需要的曲面。

3.光刻

当使用低能量密度的电子束照射高分子材料时，将使材料分子链被切断或重

新组合，引起分子量的变化即产生潜象，再将其浸入溶剂中将潜象显影出来。把这种方法与其它处理工艺结合使用，可实现在金属掩膜或材料表面上刻槽。

4.电子速焊接

电子束功率密度达10〜10瓦/厘米时，电子束轰击处的材料即局部熔化；当电子束相对工件移动，熔化的金属即不断固化，利用这个现象可以进行材料的焊接。电子束焊具有深熔的特点，焊缝的深宽比可达20:1甚至50:1。这是因为当电子束功率密度较大时，电子束给予焊接区的功率远大于从焊接区导走的功率。利用电子束焊的这一特点可实现多种特殊焊接方式。利用电子束几乎可以焊接任何材料，包括难熔金属（W、Mo、Ta、Nb）、活泼金属（Be、Ti、Zr、U）、超合金和陶瓷等。此外，电子束焊接的焊缝位置精确可控、焊接质量高、速度快，在核、航空、火箭、电子、汽车等工业中可用作精密焊接。在重工业中，电子束焊机的功率已达100千瓦，可平焊厚度为200毫米的不锈钢板。对大工件焊接时须采用大体积真空室，或在焊接处形成可移动的局部真空。

5.电子束熔炼

电子束熔炼法发明于1907年，但直到50年代才用于熔炼难熔金属，后来又用于熔炼活泼金属（如Ti锭）和高级合金钢。电子束加热可使材料在真空中维持熔化状态并保持很长时间，实现材料的去气和杂质的选择性蒸发，可用来制备高纯材料。电子束加热是电能转为热能的有效方式之一，大约有50%功率用于熔化和维持液化。功率在60千瓦以下的电子束熔炼机可用直热式钨丝作为电子枪的阴极。60千瓦以上熔炼机的电子枪则用间热式块状钽阴极，它由背后的钨丝所发射的电子轰击加热到2700K，可有每平方厘米为几安的发射电流密度。电子枪加速电压约30千伏，这样容易防止电击穿和减弱X射线辐射，电子束用磁聚焦和磁偏转。电子枪和熔炼室用不同的真空泵抽气，真空度分别维持在10 和10帕左右。80年代已生产出600千瓦级的电子枪。如需更大功率，可用几支电子枪同时工作。利用电子束加热可铸造100吨的坯料

小结：

以上是我结合老师上课所讲内容和自己找的一点资料所写的一点东西。一学期的时间转眼间就要结束了，在精密特种加工课上学到了很多以前没有接触过的知识，特别是最后的电影引发了很多思考，在此特别感谢老师一学期来的耐心教导。