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第七章其他特种加工技术电子束和离子束加工第七章其他特种加工技术1.1电子束加工1.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。第七章其他特种加工技术图1电子束加工原理电子枪系统聚焦系统电子束工件抽真空系统电源及控制系统第七章其他特种加工技术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的原理，即可进行电子束光刻加工。2．特点与应用电子束加工的特点如下：(1)电子束能够极其微细地聚焦(可达l～0.1μm)，故可进行微细加工。第七章其他特种加工技术(2)加工材料的范围广。由于电子束能量密度高，可使任何材料瞬时熔化、汽化且机械力的作用极小，不易产生变形和应力，故能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料。(3)可通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行控制，所以整个加工过程便于实现自动化。(4)电子束的能量密度高，加工效率很高。(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，故在生产中受到一定程度的限制。第七章其他特种加工技术3．电子束加工的应用1）高速打孔目前电子束打孔的最小直径可达Ø0.003mm左右。例如喷气发动机套上的冷却孔，机翼的吸附屏的孔。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。电子束打孔还能加工小深孔，如在叶片上打深度5mm、直径Ø0.4mm的孔，孔的深径比大于10：1。第七章其他特种加工技术图2电子束加工的异形孔0.03～0.07mm2）加工型孔及特殊表面第七章其他特种加工技术图3电子束加工曲面、穿孔1323(a)(b)(c)(d)1—工件；2—工件运动方向；3—电子束第七章其他特种加工技术3）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。如在硅片上刻出宽2.5μm，深0.25μm的细槽，在混合电路电阻的金属镀层上刻出40μm宽的线条。电子束刻蚀还可用于刻板，在铜制印刷滚筒上按色调深浅刻出许多大小与深浅不一样的沟槽或凹坑，其直径为70～120μm，深度为5～40μm，小坑代表浅色，大坑代表深色。第七章其他特种加工技术4）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。第七章其他特种加工技术5）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，奥氏体化时间很短，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。第七章其他特种加工技术1.2离子束加工1．加工原理离子束加工也是一种新兴的特种加工，它的加工原理与电子束加工原理基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以实现加工的。所不同的是离子带正电荷，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。离子束加工是靠微观机械撞击能量转化为热能进行的。第七章其他特种加工技术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。离子束加工可分为四类。1)离子刻蚀离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离，又称离子铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。2)离子溅射沉积离子轰击靶材，将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜。3)离子镀(又称离子溅射辅助沉积)离子同时轰击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力。第七章其他特种加工技术4)离子注入离子束直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离子就钻入被加工材料的表层。工件表面层含有注入离子后，就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理性能。2．特点及应用离子束加工有如下特点：(1)离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工。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控制。(2)离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。第七章其他特种加工技术加工设备离子枪：将气体注入电离室并使其放电，电子与气体原子发生碰撞使其被电离，等到等离子体，在负电位引导下将正离子引出，经过加速射向靶材或工件。真空系统控制系统电源系统第七章其他特种加工技术(3)离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用，所以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。在目前的工业生产中，离子束加工主要应用于刻蚀加工(如加工空气轴承的沟槽，加工极薄材料等)、镀膜加工(如在金属或非金属材料上镀制金属或非金属材料)、注入加工(如某些特殊的半导体器件)等。第七章其他特种加工技术1)刻蚀加工离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射过程。当离子束轰击工件，入射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，达到刻蚀的目的。离子刻蚀用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。离子束刻蚀应用的另一个方面是刻蚀高精度的图形，如集成电路、光电器件和光集成器件等微电子学器件亚微米图形。第七章其他特种加工技术2)镀膜加工离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种。离子镀膜附着力强、膜层不易脱落。这首先是由于镀膜前离子以足够高的动能冲击基体表面，清洗掉表面的占污和氧化物，从而提高了工件表面的附着力。其次是镀膜刚开始时，由工件表面溅射出来的基材原子，有一部分会与工件周围气氛中的原子和离子发生碰撞而返回工件。这些返回工件的原子与镀膜的膜材原子同时到达工件表面，形成了膜材原子和基材原子的共混膜层。而后，随膜层的增厚，逐渐过渡到单纯由膜材原子构成的膜层。混合过渡层的存在，可以减少由于膜材与基材两者膨胀系数不同而产生的热应力，增强了两者的结合力，是膜层不易脱落，镀层组织致密，针孔气泡少。第七章其他特种加工技术离子镀的可镀材料广泛，可在金属或非金属表面上镀制金属或非金属材料，各种合金、化合物、某些合成材料、半导体材料、高熔点材料等。离子镀已用于镀制润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等。用离子镀方法在切削工具表面镀氮化钛、碳化钛等超硬层，可以提高刀具的耐用度。第七章其他特种加工技术3)离子注入加工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。离子注入可提高材料的耐腐蚀性能，改善金属材料的耐磨性能，提高金属材料的硬度，改善金属材料的润滑性能等。