电子束和离子束加工.ppt

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电子束和离子束加工电子束和离子束加工2主要内容主要内容电子束加工电子束加工离子束加工离子束加工31、概述、概述p电电子子束束加加工工（ElectronBeamMachining简简称称EBM）起起源源于于德德国国。

1948年年德德国国科科学学家家斯斯特格瓦特格瓦发明了第一台电子束加工设备。

发明了第一台电子束加工设备。

p利利用用高高能能量量密密度度的的电电子子束束对对材材料料进进行行工工艺艺处处理的一切方法统称为电子束加工。

理的一切方法统称为电子束加工。

电子束加工电子束加工4p电电子子束束加加工工应应用用于于：

电电子子束束焊焊接接、打打孔孔、表表面面处处理理、熔熔炼炼、镀镀膜膜、物物理理气气相相沉沉积积、雕雕刻刻、铣铣切切、切割以及电子束曝光等。

切割以及电子束曝光等。

p世世界界上上电电子子束束加加工工技技术术较较先先进进的的国国家家：

德德国国、日日本、美国、俄罗斯以及法国等。

本、美国、俄罗斯以及法国等。

p经经过过几几十十年年的的发发展展，目目前前电电子子束束加加工工技技术术已已在在核核工工业业、航航空空宇宇航航、精精密密制制造造等等工工业业部部门门广广泛泛应用。

应用。

5在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为106109w/cm2的极细束流高速冲击到工件表面上极小的部位，并在几分之一微秒时间内，其能量大部分转换为热能，使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度，致使材料局部熔化或蒸发，来去除材料。

电子束加工原理电子束加工原理2、加工原理、加工原理6

（1）只使材料局部加热就可进行电子束热处理；

（2）使材料局部熔化就可以进行电子束焊接；（3）提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行打孔、切割等加工；（4）利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。

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。

7电子束加工装置主要由以下几部分组成。

（1）电子枪。

获得电子束的装置。

它包括：

p电子发射阴极用钨或钽制成，在加热状态下发射电子。

p控制栅极既控制电子束的强弱，又有初步的聚焦作用。

p加速阳极通常接地，由于阴极为很高的负压，所以能驱使电子加速。

图图电子束加工装置示意图电子束加工装置示意图1-工作台系统；2-偏转线圈；3-电磁透镜；4-光阑；5-加速阳极；6-发射电子的阴极；7-控制栅极；8-光学观察系统；9-带窗真空室门；10-工件3、加工装置、加工装置8保证电子加工时所需要的真空度。

一般电子束加工的的真空度维持在1.3310-21.3310-4Pa。

（3）控制系统和电源。

控制系统包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作台位移控制。

图图6-2电子束加工装置示意图电子束加工装置示意图1-工作台系统；2-偏转线圈；3-电磁透镜；4-光阑；5-加速阳极；6-发射电子的阴极；7-控制栅极；8-光学观察系统；9-带窗真空室门；10-工件

（2）真空系统9p束流聚焦控制：

提高电子束的能量密度，它决定加工点的孔径或缝宽。

聚焦方法：

一是利用高压静电场是电子流聚焦成细束；另一种方法是利用“电磁透镜”靠磁场聚焦。

p束流位置控制：

改变电子的方向。

p工作台位移控制：

加工时控制工作台的位置。

p电源：

对电压的稳定性要求较高，常用稳压电源。

10p电电子子束束能能够够极极其其微微细细地地聚聚焦焦（可可达达l0.1m），故故可可进进行微细加工。

行微细加工。

p加加工工材材料料的的范范围围广广。

能能加加工工各各种种力力学学性性能能的的导导体体、半半导体和非导体材料。

导体和非导体材料。

p加工效率很高。

加工效率很高。

p加工在真空中进行，加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。

污染少，加工表面不易被氧化。

p电电子子束束加加工工需需要要整整套套的的专专用用设设备备和和真真空空系系统统，价价格格较较贵，贵，故在生产中受到一定程度的限制。

故在生产中受到一定程度的限制。

4、电子束加工的特点、电子束加工的特点111-1-淬火硬化；淬火硬化；2-2-熔炼；熔炼；3-3-焊接；焊接；4-4-打孔；打孔；5-5-钻、切削；钻、切削；6-6-刻蚀；刻蚀；7-7-升华；升华；8-8-塑料聚合；塑料聚合；9-9-电子抗蚀剂；电子抗蚀剂；10-10-塑料打孔塑料打孔5、电子束加工的应用、电子束加工的应用12

（1）电子束打孔）电子束打孔p能加工各种孔能加工各种孔，包括，包括异形孔异形孔、斜孔、锥孔和弯孔。

、斜孔、锥孔和弯孔。

p生生产产效效率率高高。

机机翼翼吸吸附附屏屏的的孔孔、喷喷气气发发动动机机套套上上的的冷冷却却孔孔，此此类类孔孔数数量量巨巨大大（高高达达数数百百万万），且且孔孔径径微微小小，密密度连续分布而孔径也有变化，非常适合电子束打孔。

度连续分布而孔径也有变化，非常适合电子束打孔。

p加加工工材材料料范范围围广广。

可可加加工工不不锈锈钢钢、耐耐热热钢钢、宝宝石石、陶陶瓷瓷、玻璃、塑料和人造革等各种材料上的小孔、深孔。

玻璃、塑料和人造革等各种材料上的小孔、深孔。

p加工质量好加工质量好，无毛刺和再铸层等缺陷。

，无毛刺和再铸层等缺陷。

p加工孔的最小直径可达加工孔的最小直径可达0.003mm，最大深径比可达，最大深径比可达10。

13电子束加工的异形孔电子束加工的异形孔14电子束加工弯曲的孔电子束加工弯曲的孔p加工弯孔：

利用电子束在磁场中偏转的原理，使电子束在工件内偏转方向。

控制电子速度和磁场强度，就可控制曲率半径，加工出弯曲的孔。

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（2）电子束切割）电子束切割p可对各种材料进行切割，切口宽度仅有36m。

p利用电子束再配合工件的相对运动，可加工所需要的曲面。

电子束加工曲面电子束加工曲面16（3）电子束焊接）电子束焊接p特点：

电子束焊接具有焊缝深宽比大；焊接速度快，焊缝深而窄，焊件变形小；不用焊条，接头机械性能好；可进行异种金属焊接；可在精加工后焊接等等。

p应用：

应用范围极为广泛，尤其在焊接大型铝合金零件中，具有极大的优势，并且可用于不同金属之间的连接。

如美国和日本采用电子束焊接工艺加工发电厂汽轮机的定子部件；美国还将电子束焊接工艺广泛应用于飞机制造中。

17（4）电子束光刻）电子束光刻p利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，再将其浸入适当的溶剂中，由于分子量的不同而溶解度不同，就会将潜象显影出来。

p将光刻与粒子束刻蚀或蒸镀工艺结合，就可以在金属掩模或材料表面制出图形来。

18图图电子束曝光加工过程电子束曝光加工过程A-电子束曝光；电子束曝光；B-显影；显影；C-蒸镀；蒸镀；D离子刻蚀；离子刻蚀；E、F-去掉抗蚀剂，留下图形去掉抗蚀剂，留下图形1-电子束；电子束；2-电致抗蚀剂；电致抗蚀剂；3-基板；基板；4-金属蒸汽；金属蒸汽；5-离子束；离子束；6-金属金属19电子束刻蚀电子束刻蚀20（5）电子束表面改性）电子束表面改性p特点：

A）快速加热淬火，可得到超微细组织，提高材料的强韧性；B）处理过程在真空中进行，减少了氧化等影响，可以获得纯净的表面强化层；C）电子束功率参数可控，可以控制材料表面改性的位置、深度和性能指标。

21电子束表面改性技术分类电子束表面改性技术分类p应用：

表面淬火、表面熔凝、表面合金化、表面熔覆和制造表面非晶态层。

经表面改性的表层一般具有较高的硬度、强度以及优良的耐腐蚀和耐磨性能。

221、加工原理、加工原理在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面。

由于离子带正电荷，其质量数比电子大数千倍甚至上万倍，它撞击工件时具有很大撞击动能，通过微观的机械撞击作用从而实现对工件的加工。

离子束加工离子束加工图图8-9离子束加工原理离子束加工原理1真空抽气口真空抽气口2灯丝灯丝3惰性气体注入口惰性气体注入口4电磁线圈电磁线圈5离子束流离子束流6工件工件7阴极阴极8引出电极引出电极9阳极阳极10电离室电离室23p相同点：

加工原理基本相同。

p不同点：

离子带正电荷，其质量比电子大数千倍乃至数万倍，故在电场中加速较慢，但一旦加至较高速度，就比电子束具有更大的撞击动能。

电子束加工是靠电能转化为热能进行加工的。

离子束加工是靠电能转化为动能进行加工的。

2、与电子束加工的比较、与电子束加工的比较242、离子束加工的分类、离子束加工的分类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。

分以下四类：

（1）离子刻蚀采用能量为0.15keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子（或分子）间键合力时，材料表面的原子（或分子）被逐个溅射出来，以达到加工目的。

这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。

25可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精度图形。

的高精度图形。

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（2）离子溅射沉积采用能量为0.15keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材，将靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。

实际上此法为一种镀膜工艺。

27（3）离子镀膜离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力（可达1020MPa）。

该方法该方法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得广泛应用。

目前已获得广泛应用。

28（4）离子注入用5500keV能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。

p该方法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求注入不同离子（如磷、氮、碳等）。

p注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可控制，但设备费用大、成本高、生产率较低。

293、特点、特点p加工精度高。

离子束加工是目前最精密、最微细的加加工精度高。

离子束加工是目前最精密、最微细的加工工艺。

工工艺。

离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜可控制离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。

控制。

p环境污染少。

环境污染少。

离子束加工在真空中进行，特别适宜于离子束加工在真空中进行，特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。

对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。

p加工质量高。

加工质量高。

离子束加工是靠离子轰击材料表面的原离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，加工应力和变形极小，适宜于对各种材子来实现的，加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。

料和低刚件零件进行加工。

304、应用、应用目前，离子束加工主要应用于刻蚀加工、镀膜加工、注入加工。

p离子刻蚀：

制造激光器和红外传感器的高性能非球面透镜和反光镜、光学系统中的衍射光栅、压电传感器用晶片、陀螺转子轴承表面上的复杂结构、微型加速计的精确质量块以及超精密加工用的单晶金刚石刀具。

图图离子束刻蚀机离子束刻蚀机离子注入加工是将所要注入的元素进行电离，并离子注入加工是将所要注入的元素进行电离，并将正离子分离和加速，形成具有数十万电子伏特的高将正离子分离和加速，形成具有数十万电子伏特的高能离子流，轰击工件表面，离子因动能很大，被打入能离子流，轰击工件表面，离子因动能很大，被打入表层内，其电荷被中和，成为置换原子或晶格间的填表层内，其电荷被中和，成为置换原子或晶格间的填隙原子，被留于表层中，使材料的化学成分、结构、隙原子，被留于表层中，使材料的化学成分、结构、性能产生变化。

性能产生变化。

离子注入可提高材料的耐腐离子注入可提高材料的耐腐蚀性能，改善金属材性能，改善金属材料的耐磨性能，提高金属材料的硬度，改善金属材料料的耐磨性能，提高金属材料的硬度，改善金属材料的的润滑性能等。

滑性能等。

p离子注