电子束和离子束加工(课堂PPT)

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第6章 电子束和离子束加工

第6章 电子束和离子束加工

特种加工技术
二、电子束加工装臵
电子枪
电子发射阴极、控制 栅极和加速阳极等;
真空系统 控制系统
电磁透镜、偏转线圈、 工作台系统
电源系统 辅助装臵
特种加工技术
电子枪
用途:

钨丝

发射高速电子流 电子束的预聚焦 电子束的强度控制
小功率
大功率
组成

电子发射阴极(纯钨或纯钽) 控制栅极 加速阳极

非热型(化学效应)

利用电子束的化学效应进行刻蚀

刻蚀
特种加工技术
功率密度对加工模式的影响
a) 低密度 b) 中低密度 c) 高密度
表面改性
电子束焊接
电子束打孔、切槽
特种加工技术
电子束加工的应用范围
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
特种加工技术
(1)高速打孔
特点

能打各种孔(最小φ3μm )


生产效率高
可加工各种材料
实际应用
打400孔;3mm厚时,φ1mm的锥形孔,每秒可打20孔。)
可加工斜孔。 可以加工各种直的型孔和型面,也可以加工弯孔和曲面。
特种加工技术
电子束加工曲面
电子束在磁场中运动,由于受到电磁力,其轨迹会发生偏转。 如果在磁场中对工件加工,则可切割出曲面。
特种加工技术
电子束加工弯槽
电子束在磁场中运动,由于受到电磁力,其轨迹会发生偏转。 如果在磁场中对工件中部进行切割时,则可加工出弯槽。
特种加工技术
电子束加工分类
通过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。 电子束打孔、切割等加工:高电子束能能量密度, 使材料融化和气化,就可以进行; 电子束焊接:使材料局部融化就可以进行; 电子束热处理:只使材料局部加热就可以进行; 电子束光刻加工: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。

第六章 电子束和离子束加工

第六章  电子束和离子束加工

二、离子束加工装置
(一) 考夫曼型离子源
用阴极发射电子撞击氩气使其电离成等离子
(二) 双等离子体型离子源
用直流电弧放电将氩、氪、氙等惰性气体等离子体 化
图6-9 考夫曼型离子源 1-真空抽气口 2-灯丝 3-惰性气体注入口 4-电磁线圈 5-离子束流 6-工件 7-阴极 8引出电极 9-阳极 10-电离室
B、C、Al、Ar、Cr、F e、Ni、Zn、Ga、Mo、 In、Eu、Ce、Ta、Ir
耐磨损
B、C、Ne、N、S、Ar、 20~100 Co、Cu、Kr、Mo、Ag、 In、Sn、Pb Ar、S、Kr、Mo、Ag、 20~100 In、Sn、Pb
>1
改变摩擦因数
>1
本章完
离子束加工的特点
1) 由于离子束可以通过电子光学系统进行聚焦扫描, 离子束轰击材料是逐层去除原子,离子束流密度及离 子能量可以精确控制,所以离子刻蚀可以达到纳米 (0.001µm)级的加工精度。 2) 由于离子束加工是在高真空中进行,所以污染少, 特别适用于对易氧化的金属、合金材料和高纯度半导 体材料的加工。 3) 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的。 4) 离子束加工设备费用贵,成本高,加工效率低,因 此应用范围受到一定限制。
可实现对材料的“毫微米级”或“原子级”加 工。
离子束加工的分类
1) 离子刻蚀 是用能量为0.5~5keV的氩离子倾斜轰击工件,将工件表面的原 子逐个剥离。 2) 离子溅射沉积 也是采用能量为0.5~5keV的氩离子,倾斜轰击某种材料制成的 靶,离子将靶材原子击出,垂直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 也称离子溅射辅助沉积,是用0.5~5keV的氩离子,不同的是在 镀膜时,离子束同时轰击靶材和工件表面。 4) 离子注入 是采用5~500keV较高能量的离子束,直接垂直轰击被加工材料, 由于离子能量相当大,离子就钻进被加工材料的表面层

第七章 电子束和离子束加工.ppt

第七章  电子束和离子束加工.ppt

电子束加工的另一种是利用电子束流的非热效应。功率 密度较小的电子束流和电子胶相互作用,电能转化为化学 能,产生辐射化学或物理效应,使电子胶的分子链被切断 或重新组合而形成分子量的变化以实现电子束曝光。采用 这种方法,可以实现材料表面微槽或其他几何形状的刻蚀
加工。
大型集成电路制造
由制造运动平台的 极高准确度保证 • 特征线宽: 100 nm • 对准精度:15 nm • 定位精度:2 nm • 刻蚀深度:0.5μm
成分纯净,焊接接头的强度往往高于母材。
电子束可焊接的材料范围很广,除了适合于普通的碳钢、合金钢、不锈钢外, 更有利于焊接高熔点金属(如钽、钼、钨、钛等及其合金)和活泼金属(如锆、 钛、铌等),还可焊接异种金属材料、半导体材料以及陶瓷和石英材料等,例如 铜和不锈钢的焊接,钢和硬质合金的焊接等。
由于电子束焊接对焊件的热影响小、变形小,可以在工件精加工后进行焊接。 又由于它能够实现不同种类金属的焊接,有可能将复杂的工件分成几个零件。这 些零件可以单独地使用最合适的材料,采用合适的方法来加工制造,最后利用电 子束焊接成一个完整的零部件,从而可以获得理想的使用性能和显著的经济效益。
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(靶材)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薄膜。 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。
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,而且电子束打 孔成本比天然革成本低,可替代天然革。加工时, 用一组钨杆将电子枪产生的单个电子束分割为200 条并行细束,使其在一个脉冲内同时加工出200个 孔,效率非常高。现在生产上已出现了专用塑料 打孔机,其速度可达每秒50000个孔,孔径120~ 4Om可调。

第7章 电子束和离子束加工

第7章 电子束和离子束加工

1-发射阴极 2-控制栅极 3-加速 阳极 4-聚焦系统 5-电子束斑点 6-工件 7-工作台
3
7.1.1电子束加工的原理及特点
1)高功率密度
属非接触式加工,工件不 受机械力作用,很少产生宏观应力变形, 同时也不存在工具损耗问题。 2)电子束强度、位置、聚焦可精确控制,, 电子束通过磁场和电场可在工件上以任何 速度行进,便于自动化控制。 3)环境污染少 适合加工纯度要求很高的 半导体材料及易氧化的金属材料。
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2)离子溅射沉积
采用能量为0.1~5keV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。
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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10~20MPa), 此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度 快,目前已获得广泛应用。

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4)离子注入


用5~500keV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。 此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)。 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。

电子束光刻系统

电子束制版机

电子束曝光系统
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4)其它应用

用计算机控制,对陶瓷、半导体或金属材 料进行电子刻蚀加工;异种金属焊接;电 子束热处理等。

电子束和离子束加工

电子束和离子束加工

第六章电子束和离子束加工电子束加工(Electron Beam Machining简称EBM)和离子束加工(Ion Beam Machining简称IBM)是近年来得到较大发展的新兴特种加工。

它们在精密微细加工方面,尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。

电子束加工主要用于打孔、焊接等热加工和电子束光刻化学加工。

离子束加工则主要用于离子刻蚀、离子镀膜和离子注入等加工。

近期发展起来的亚微米加工和毫微米(纳米)加工技术,主要是用电子束加工和离子束加工。

第一节电子束加工一、电子束加工的原理和特点(一)电子束加工的原理如图6-1所示,电子束加工是在真空条件下,利用聚焦后能量密度极高(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。

(二)电子束加工的特点1)由于电子束能够极其微细地聚焦,甚至能聚焦到0.1μm。

所以加工面积可以很小,是一种精密微细的加工方法。

2)电子束能量密度很高,使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度,去除材料主要靠瞬时蒸发,是一种非接触式加工。

工件不受机械力作用,不产生宏观应力和变形,加工材料范围很广,对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。

3)电子束的能量密度高,因而加工生产率很高,例如,每秒钟可以在2。

5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。

4)可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制,所以整个加工过程便于实现自动化。

电子束和离子束加工ppt课件

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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)。
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。
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3、特点
加工精度高。离子束加工是目前最精密、最微细的加 工工艺。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)真空系统
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 1.33×102~ 1.33×10-4 Pa。
(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6-2 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 7
A-电子束曝光;B-显影;C-蒸镀;D—离子刻蚀;E、F-去掉抗蚀剂,留下图形 1-电子束;2-电致抗蚀剂;3-基板;4-金属蒸汽;5-离子束;6-金属
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电子束刻蚀
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(5)电子束表面改性 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。
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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。
电子束表面改性技术分类
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离子束加工
1、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。

先进制造技术6电子束和离子束加工PPT课件

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真空系统是为了保证在电子束加工时维持1.33 × 10-2 ~ 1.33 × 10-4 Pa的真空度。因为只有在高真空中, 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,也需要不断地把加工 中产生的金属蒸汽抽出去。
(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。
加工特点 度比正常热处理高,晶粒细小、 处理,可提高高温疲劳强
表面的硬度比正常热处理高。
度约45%
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四、电子束加工的应用
(六)电子束光刻
电子束光刻是先利用低功率密度的电子束照射称为电致 抗蚀剂的高分子材料,由入射电子与高分子相碰撞,使 分子的链被切断或重新聚合而引起分子量的变化,称为 电子束曝光。如果按规定图形进行电子束曝光,会在电 致抗蚀剂中留下潜像;
3. 电子束的能量密度高,因而加工生产率很高
每秒可在2.5 mm厚钢板上钻50个直径为0.4 mm的孔。
3
二、电子束加工的特点
4. 加工过程便于实现自动化
可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进 行直接控制。
5. 在真空中进行,污染少
加工表面不氧化,适用于易氧化的金属及合金材料,以 及高纯度的半导体材料。
9
四、电子束加工的应用
冲材 击料 开表 始面 熔受 化到 ,电 气子 化束
电子束打到材料表面
继 续 受 到 电 子 束 作 用
电子束贯穿材料
电子束打到材料内部 随 材 着料 蒸气 汽化 溢形 出成 ,气 形泡 成, 空破 穴裂 后
吹,的电 出将辅子 ,空助束 完穴材冲 成周料击 打围,到 孔熔产工 过化生件 程材喷下
然后将曝光后的潜像浸入适当的溶剂中,则由于分子量 不同而溶解度不一样,就会使潜像显影出来;

离子束加工PPT课件

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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。
第17页/共25页
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10~20MPa),
• 此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快,目前已获得 广泛应用。
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4)离子注入
• 用5~500keV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。
• 包括离子源、真空系统、控制系统和电源等部分。 • 离子源产生离子束流。形式多样,常有考夫曼型离子源和双等离子管型离
子源。
第22页/共25页
• 三、离子束加工的应用 • (一)刻蚀加工 • 离子刻蚀是从工件上去除材料,
是一个撞击溅射的过程。当离子 束轰击工件时,入射离子的动量 传递到工件表面的原子,当传递 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, 达到刻蚀目的。
第6页/共25页
• 三.电子束加工的应用
• (一)高速打孔

电子束打孔已在生产中实际应用,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

电子束和离子束加工PPT课件

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化 5、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
6
四、电子束加工的应用
7
1、电子束打孔 能加工各种孔,包括异形孔、斜孔、锥孔
和弯孔。
8
2、电子束切割 可对各种材料进行切割,切口宽度仅有
3~6µm 利用电子束再配合工件的相对运动,可加
工所需要的曲面
1
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
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材
料时产生化学变化,可进行电子束光刻加 工
2
二、加工装置 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 电子发射阴极——用钨或钽制成,在加热
第一节 电子束加工
一、电子束加工的基本原理 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106~109w/cm3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, 其能量大部分转换成热能,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
状态下发射电子 控制栅极——既控制电子束的强弱,又有
初步的聚焦作用 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
3
4
2、真空系统 保证电子加工时所需要的真空度。
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
1)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
9

第六章-电子束和离子束加工-特种加工课件

第六章-电子束和离子束加工-特种加工课件
(电磁偏转)、束流强度控制、工作台位移控 制(适合大面积加工)。
电源
电子束加工对电源电压稳定性要求较高,需要 稳压设备。
§6.1.2 电子束加工装臵
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
电磁透镜的聚焦作用
电子束在前进过程中切割电磁 线圈产生的径向磁场而产生圆 周运动; 电子束在圆周运动时切割电磁 线圈产生的轴向磁场而产生径 向(向心)运动; 电子的合成运动为半径越来越 小的空间螺旋线
然后用其它离子轰击镀层,使镀层元素反冲到
基体中去 )。
2 溅射沉积(镀膜)
0.5~5KeV
§6.2.1 离子束加工的原理、分类和特点
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
3 离子镀
镀膜前,离子束对基体表 面轰击清洗掉污垢和氧化物, 提高其附着力。 镀膜刚开始,溅射出来的 基体原子与空气中的靶材原 子、离子相撞击而返回工件 表面,形成混合过渡膜层, 增强了基材与膜材的结合力。
§6.1.3 电子束加工的应用
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
加工型孔和特殊表面
异型孔
人造纤维喷丝头异型孔
窄缝宽度0.03~0.07mm,轮廓0.8mm
曲面、弯孔
§6.1.3 电子束加工的应用
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
抗蚀功能膜(致密,均匀,附着良好的抗蚀膜) 耐热功能膜
装饰功能膜
§6.2.3 离子束加工的应用
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.

电子束离子束激光束加工

电子束离子束激光束加工

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。
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。
3. 激光加工的应用 1) 激光打孔 随着近代工业技术的发展,硬度大、熔点高的材 料应用越来越多,并且常常要求在这些材料上打出又 小又深的孔,例如,钟表或仪表的宝石轴承,钻石拉 丝模具,化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中 的燃料喷嘴等。这类加工任务,用常规的机械加工方 法很困难,有的甚至是不可能的,而用激光打孔,则 能比较好地完成任务。
激光束 光束准直 振镜 Y轴 马 达 透镜
图3 振镜式激光打标原理
激光打标的特点是非接触加工,可在任何异型表 面标刻,工件不会变形和产生内应力,适于金属、塑 料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各种材料;标记清晰、 永久、美观,并能有效防伪;标刻速度快,运行成本 低,无污染,可显著提高被标刻产品的档次。
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。

先进制造技术——三束加工PPT课件

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④ 亮度高:激光的亮度可比普通光源高出1012-1019倍,是目前最亮 的光源,强激光甚至可产生上亿度的高温。激光的高能量是保证激光临床治 疗有效的最可贵的基本特性之一。利用激光的高能量还可使激光应用于激光 加工工业及国防事业等。
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激光加工的特点
由于激光具有的宝贵特性,因此就给激光加工带来如下一些其它方法所不具 备的可贵特点: ①由于它是无接触加工,并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调,因 此可以实现多种加工的目的; ②它可以对多种金属、非金属加工,特别是可以加工搞硬度、高脆性及高熔 点的材料; ③激光加工过程中无“刀具”磨损,无“切削力”作用于工件; ④激光加工过程中,激光束能量密度高,加工速度快,并且是局部加工,并 非激光照射部位没有货影响极小。因此,其热影响区小,工件热变小,后续 量小; ⑤它可通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工; ⑥由于激光束易于导向、聚焦实现作各方向变换,极易与数控系统配合,对 复杂工件进行加工,因此它是一种极为灵活的加工方法; ⑦生产效率高,加工质量稳定可靠,经济效益和社会效益好。
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二、激光束加工
激光:源自在经过激励后由高能级院子跃迁到低能级而发射 的光子所产生的物理现象。
激光产生的原理:原子经过激励而发生跃迁现象。 激光加工:激光加工就是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点
上达到很高的能量密度产生的光热效应来加工各种材料。
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加工原理 激光加工是以激光为热源对工件进行热加工。 激光是单色光,强度高、相干性和方向性好,通过一系列的光 学系统,可将激光束聚焦成光斑直径小到几微米、能量密度高 达108~109W/cm2,并能在千分之几秒甚至更短的时间内使 任何可熔化、不可分解的材料熔化、蒸发、汽化而达到加工的 目的。 因此,激光加工是工件在光热作用下产生高温熔融和受冲击抛 离的综合过程。
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图 离子束刻蚀机
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
离子注入 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。
1-淬火硬化; 2-熔炼; 3-焊接; 4-打孔; 5-钻、切削; 6-刻蚀; 7-升华; 8-塑料聚合; 9-电子抗蚀剂; 10-塑料打孔
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(1)电子束打孔 能加工各种孔,包括异形孔 、斜孔、锥孔和弯孔。 生产效率高。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。 加工材料范围广。可加工不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、 玻璃、塑料和人造革等各种材料上的小孔、深孔。 加工质量好,无毛刺和再铸层等缺陷。 加工孔的最小直径可达0.003mm,最大深径比可达10。
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。
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电子枪系统
聚焦系统
抽真
电子束
空系

工件
电源 及控 制系

电子束加工原理 5
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。
(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。
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)。
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。
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3、特点
加工精度高。离子束加工是目前最精密、最微细的加 工工艺。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)真空系统
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 1.33×102~ 1.33×10-4 Pa。
(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6-2 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 8
图8-9 离子束加工原理
1—真空抽气口 2—灯丝 3—惰性气体注入口 4—电磁线圈 5—离子束流 6—工件 7—阴极 8—引出电极 9—阳极 10—电离室22
2、与电子束加工的比较
相同点:加工原理基本相同。 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。
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00 .. 00 33 ~~ 00 .. 00 77 mm mm
电子束加工的异形孔
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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。
(c)
1 2 3
电子束加工弯曲的孔
(d)
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(2)电子束切割 可对各种材料进行切割,切口宽度仅有3~6μm。 利用电子束再配合工件的相对运动,可加工所需要的
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。
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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。
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(4)电子束光刻 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。 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。
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图 电子束曝光加工过程
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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。
电子束表面改性技术分类
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离子束加工
1、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。
曲面。
3 3
1
2
(a)
(b)
(c)
(d)
电子束加工曲面
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(3)电子束焊接
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。
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。
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。
束流位置控制:改变电子的方向。 工作台位移控制:加工时控制工作台的位置。 电源:对电压的稳定性要求较高,常用稳压电源。
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4、电子束加工的特点
A-电子束曝光;B-显影;C-蒸镀;D—离子刻蚀;E、F-去掉抗蚀剂,留下图形 1-电子束;2-电致抗蚀剂;3-基板;4-金属蒸汽;5-离子束;6-金属
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电子束刻蚀
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(5)电子束表面改性 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。
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。
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2、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0.1~5keV、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。
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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 的高精度图形。
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(2)离子溅射沉积 采用能量为0.1~5keV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 。
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(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
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离子镀和离子溅射镀膜
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
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图 多功能离子束增强沉积设备
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离子镀和离子溅射镀膜 (1)精密滚珠轴承采用离子镀膜后,使用寿命延长到 数千小时; (2)刀具镀以几微米厚的TiN、TiC涂层后,寿命提高 3~10倍; (3)在钛合金叶片上沉积一层贵金属(Pt、Au、Rh等) 涂层,可使疲劳强度增加30%,抗氧化与耐腐蚀能力也 大大提高。
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3、加工装置
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:
电子发射阴极—用钨或钽制成, 在加热状态下发射电子。
控制栅极—既控制电子束的强 弱,又有初步的聚焦作用。
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 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 7
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10~20MPa)。
该方法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快, 目前已获得广泛应用。
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(4)离子注入
用5~500keV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。
电子束和离子束加工
1
主要内容
电子束加工 离子束加工
2
电子束加工 1、概述 电子束加工(Electron Beam Machining 简
称EBM)起源于德国。1948年德国科学家斯 特格瓦发明了第一台电子束加工设备。 利用高能量密度的电子束对材料进行工艺处 理的一切方法统称为电子束加工。
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