电子束加工的发展与应用

1电子束加工的发展与应用摘要；电子束加工技术是近年发展起来的一种先进制造技术。利用高能量的会聚电子束的热效应或电离效应对材料进行的加工。电子束加工它在精密微细方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用机械加工等方面的应用已受到广泛关注。主要介绍电子束的原理，发展与应用。关键词：电子束电离效应材料加工0引言电子束加工利用电子束的热效应可以对材料进行表面热处理、焊接、刻蚀、钻孔、熔炼，或直接使材料升华。电子束加工的特点是功率密度大，能在瞬间将能量传给工件，而且电子束的能量和位置可以用电磁场精确和迅速地调节，实现计算机控制。所以电子束加工应用方面非常广泛，是一种不可或缺的加工方法。1电子束加工的原理1.1电子束原理电子束是在真空条件下，利用聚焦后能量极高的电子束，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。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。电子束加工是以高能电子束流作为热源,对工件或材料实施特殊的加工,是一种完全不同于传统机械加工的新工艺。2电子束加工的发展2.1电子束世界发展电子束加工技术起源于德国。德国物理学家1948年发明了第一台电子束加工设备(主要用于焊、接)．1949年,德国首次利用电子束在厚度为0.5mm的不锈钢板上加工出直径为小于0.2mm的小孔。从而开辟了电子束在材料加工领域的新天地。1957年法国原子能委员会萨克莱核子研究中心研制成功世界上第一台用于生产的电子束焊接机,其优良的焊接质量引起人们广泛重视。20世纪60年代初期,人们已经成功地将电子束打孔、铣切、焊接、镀膜和熔炼等工艺技术应用到各工业部门中,促进了尖端技术的发展。微电子学的发展对集成电路元件的集成度要求不断提高,因而对光刻工艺提出了更高的要求,扫描电子束曝光机研制成功。经过几十年的发展，目前全世界已有几千台设备在核工、业，航空宇航工业及重型机械等工业部门应用。世界上电子束加工技术较先进的国家是德国、日母、美国、独联体以及法国等。2.2电子束我国发展我国自20世纪60年代初期开始研究电子束加工工艺,经过多年的实践,在该领域也取得了一定成果。大连理工大学三束材料改性国家重点实验室,采用电子束对材料表面进行照射,研究其对材料表面的改性。郝胜志等以纯铝材为基础研究材料,深入研究不同参数的脉冲电子束轰击处理对试样显微结构和力学性能的影响规律,进而获得强流脉冲电子束表面改性的一些微观物理机制,通过载能电子与固体表面的相互作2用过程,建立较为合理的实际加工中的物理模型,利用二维模型数值计算方法模拟计算试样中的动态温度场及应力场分布。吉林大学关庆丰教授带领的科研小组,对于强流脉冲电子束作用下金属材料微观组织结构的形成与性能进行研究。张万金教授对于采用电子束辐照对新型质子交换膜的合成及性能的影响进行研究等。虽然我国对于电子束加工目前已在仪器仪表、微电子、航空航天和化纤工业中得到很好应用,电子束打孔、切槽、焊接、电子束曝光和电子束热处理等也都陆续进入生产,但从电子束加工技术现状及新的发展趋势可以看出,我国在该领域的研究与世界先进水平差距很大。我们在今后的发展上是要有很大的路要走，还有很多问题需要我们解决。3电子束加工的特点3.1电子束加工的特点电子束加工属于精密微细加工电子束能够极其细微的聚焦，因此加工面积可以很小，是一种精密的加工方法；电子束加工是在真空状态下进行,对环境几乎没有污染。加工材料范围广电子束能量密度很高，工件不受外界机械力作用，不产生宏观应力和变形，因此加工材料范围非常广，可以加工脆性、韧性的导体、非半导体和半导体等材料；电子束加工的精度非常高，表面质量好的特点；电子束加工时，生产率很高，因为电子束能量密度很高，所以加工生产率很高；电子束加工还有控制性能好的特点，电子束能够通过磁场或电场对其强度、位置、聚焦程度进行直接控制，且自动化程度高；电子束加工温度容易控制，但是电子束加工的设备昂贵，因为电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，设备价格非常较贵，所以加工成本高。4电子束加工的应用4.1电子束应用电子束加工有着许多特点，以至于电子束加工在材料加工中的应用非常广泛。电子束加工目前已被广泛地应用于高硬度、易氧化或韧性材料的微细小孔的打孔,复杂形状的铣切,金属材料的焊接、熔化和分割,表面淬硬、光刻和抛光,以及电子行业中的微型集成电路和超大规模集成电路等的精密微细加工中。随着研究的不断深入,电子束加工已成为高科技发展中不可或缺的特种加工手段之一。4.1电子束焊接在材料加工中电子束焊接具有焊缝深宽比大，焊接速度快，工件热变形小，焊缝物理性能好工艺适应性强等优点。并且能改善接头机械性能减少的缺陷保证焊接的稳定性和重复性。因而具有极为广阔的应用前景。电子束焊接的加工范围极为广泛，尤其是在焊接大型铝合金零件中电子束焊接工艺具有极大的优势并且可用于不同金属之间的连接。电子束焊接代替了过去的氩弧焊焊接大型铝合金筒体在提高生产效率的同时得到了性能良好的焊接接头。4.2电子束在打孔电子束在打孔方面的应用也很广阔，电子束打孔技术能加工各种孔。其中包括异形孔，斜孔，锥孔还有弯孔等。电子束打孔具有生产效率高加工材料范围广，加工质量好，无毛刺和再铸层等缺陷。电子束打孔在国外已被广泛应用于航空核工业以及电子化学等工业如喷气发动机的叶片及其他零件的冷却孔，涡轮发动机燃烧室头部及燃气涡轮化纤喷丝头和电子电路印刷板等。在用电子束对材料进行打孔加工时,每个电子束脉冲打一个孔,脉冲宽度一般只有几毫秒,脉冲的速率快,打孔的速度可以达到每秒几个到3000个孔。电子3束脉冲的能量高,不受材料硬度的限制,没有磨损,可以对难熔、高强度和非导电材料进行打孔加工。并且电子束的束斑形状可控,加工效率高,加工材料的适应范围广,加工精度高、质量好,无缺陷,一般不需要二次加工。目前,电子束打孔的范围是:实际生产中,加工直径为0.1mm至.8mm之间,最大深度为5mm;在实验室中,加工直径为在0.05mm至1.5mm之间,最大深度为10mm。4.3电子束物理气相沉积电子束物理气相沉积是电子束技术与物理气相沉积技术的有机结合,是利用高能电子轰击沉积材料,使其迅速升温气化而凝聚在基体材料表面的一种表面加工工艺。根据沉积材料的性质,可以使涂层具有优良的隔热、耐磨、耐腐蚀和耐冲刷性能,对基体材料产生一定的保护作用。主要包括在制备微层材料，微层材料是指纳米和微米多层材料具有可设计性强的特点,可通过选择材料体系、设计多层结构、调整制备工艺以及主要工艺参数,对材料的基本性能进行控制,以获得满足各种不同用途的材料；航空和航天发动机方面的应用；热障涂层是由绝热性能良好的陶瓷材料构成,它沉积在耐高温金属或超合金表面,热障涂层对于基底材料起到隔热作用,降低基底温度,使得用其制成的器件能在高温下运行；防腐涂层由于EB2PVD技术制备出的涂层致密程度高,对于在腐蚀环境下工作的零件,其防腐效果非常好。耐磨涂层等方面的应用。结论电子束加工是特种加工的一部份，随着科技的发展，特种加工技术将会越用越广没，我们的时代发展速度越来越快。无论是在效率上还是在精度上我们的技术都会更加成熟的。所以电子束加工技术在今后也会有更多的发展在更多方面进行应用的在不同的领域不断的发展。很值得我们探索。[参考文献][1]周广德电子束焊机拄术的新进展．第三届电子束焊接学术年会文.1993.P85[2]刘春飞,张益坤.电子束焊接技术发展历史、现状及展望(Ⅱ)[J].航天制造技术,2003(02)[3]周广德．电子束焊接技术的新进展．第三届电子束焊接学术年会论文集1993[4]范玉殿．电子书和离子束加工．机械工业出版社．1989[5]刘景顺,曾岗,李明伟,等.电子束物理气相沉积(EB2PVD)技术研究及应用进展[J].材料导报,2007,11,21(Ⅸ)[6]车琴香,黄锦文IgorLPobol.电子束表面工程的技术发展水平[J].中国设备管理,2000(8).[10]电子束加工[J].机械制造,1996(7)[7]李金桂.现代表面工程的重大进展[J].材料保护,2000,1,33(1).