电子束和离子束加工

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1、第六章电子束和离子束加工一.电子束加工原理和特点（一）加工原理电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工件的，如图6-1所示。在真空条件下，将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工材料上，电子的动能绝大部分转变为热能，使材料局部瞬时熔融、汽化蒸发而去除。6.1电子束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。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，使材料熔化和汽化，就可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化

2、的原理，即可进行电子束光刻加工。（二）电子束加工特点(1)可进行微细加工。(2)非接触式加工。(3)电子束的能量密度高，加工效率高。（4）整个加工过程便于实现自动化。(5)加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。（6）电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵。二.电子束加工装置电子束加工装置的基本结构如图所示，它主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。（一）电子枪电子枪是获得电子束的装置。阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向带高电位的阳极，在飞向阳极的过程中，经过加速电极加速，又通过电磁透

3、镜把电子束聚焦成很小的束斑。（二）．真空系统只有在高真空中，电子才能高速运动，此外，加工时的金属蒸汽会影响电子发射，产生不稳定现象。因此，需要不B9f地把加工中生产的金属蒸汽抽出去。抽真空时，先用机械旋转泵把真空室抽至1.4一0.14Pa，然后由油扩散泵或祸轮分子泵抽至0.014—0.00014Pa的高真空度。（三）．控制系统和电源电子束加工装置的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等。工作台位移控制是为了在加工过程中控制工作台的位置。三.电子束加工的应用（一）高速打孔电子束打孔已在生产中

4、实际应用，目前最小直径可达0.003mm左右。例如喷气发动机套上的冷却孔，机翼上的孔，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。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0.2mm的孔，速度为每秒3000孔。在人造革、塑料上用电子束订大量微孔，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，其速度可达每秒50000孔，孔径120—40微米可调。（二）加工型孔及特殊表面图电子束加工的喷丝头异型孔截面的一些实例。

5、出丝口的窄缝宽度为0.03-0.07mm，长度为0.80mm，喷丝板厚度0.6mm。为了使人造纤维具有光泽、松软有弹性、透气性好，喷丝头的异型孔那是特殊形状的。（三）刻蚀在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，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2.5微米、深0.25微米的细槽，在混合电路电阻的金属镀层上刻出40微米宽的线条。（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。由于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电子束焊接的焊缝深而窄，热影响区小，变形小。电子束焊接一般不用焊条，

6、焊接过程在真空中进行，因此焊缝化学成分纯净，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如钽、铌、钼等，也可焊接钛、锆、铀等化学性能活泼的金属。它可焊接很薄工件，也可焊接几百毫米厚的工件。电子束焊接还能完成一般焊接方法难以实现的异种金属焊接。如铜和不锈钢的焊接，钢和硬质合金的焊接，（五）热处理电子束热处理也是把电子束作为热源．但适当控制电子束的功率密度．使金属表面加热而不熔化，达到热处理的目的。电子束热处理在真空中进行，可以防止材料氧化。（六）光刻电子束光刻先利用低功率的电子束照射高分子材料，由入射电子束与高分子

7、相碰撞，经电子曝光后，在高分子材料中留下潜像。6.2离子束加工（ionbeammachining，IBM）一、原理、分类和特点离子束加工是在真空条件下利用离子源（离子枪）产生的离子经加速聚焦形成高能的离子束流投射到工件表面，使材料变形、破坏、分离以达到加工目的。因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速到较高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，因此，离子束撞击工件将引起变形、分离、破坏等机械作用，而不像电子束是通过热效应进行加工。离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉积和离子注入等。1离子刻蚀当所带能量为0.

8、1～5keV、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。离子束刻蚀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