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電子束加工和離子束技術的原理及電子束加工的應用一、電子束加工和離子束技術的原理及其比較1、 電子束加工的原理電子束是在真空條件下,利用聚焦后能量極高(106?109w/cm2)的電子束,以極高的速度沖擊到工件表面極小面積上,在極短的時間(幾分之一微妙)內(nèi),其能量的大部分轉變?yōu)闊崮埽贡粵_擊部分的工件材料達到幾千攝氏度以上的高溫,從而引起材料的局部熔化,被真空系統(tǒng)抽走。下面特殊介紹一下快速掃描電子束加工技術原理,通過對電子槍偏轉線圈和聚焦線圈的控制,使電子束在工件上按特定的軌跡、速率和能量快速偏轉而實現(xiàn)快速掃描電子束加工。由于電子束幾乎沒有質量和慣性,可以實現(xiàn)非接觸的偏轉,而且通過電壓控制,可以在不同的位置切換時控制束流通斷,這樣,束流就可以在構件的不同位置以極高的頻率切換。由于材料的熱慣性,通過束流與材料的相互作用,在這些位置上就會同時產(chǎn)生冶金效果,實現(xiàn)電子束的掃描加工??偟膩碚f,電子束加工的基本原理是:在真空中從灼熱的燈絲陰極發(fā)射出的電子,在高電壓(30?200千伏)作用下被加速到很高的速度,通過電磁透鏡會聚成一束高功率密度(105?109w/cm2)的電子束。當沖擊到工件時,電子束的動能立即轉變成為熱能,產(chǎn)生出極高的溫度,足以使任何材料瞬時熔化、氣化,從而可進行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。由于電子束和氣體分子碰撞時會產(chǎn)生能量損失和散射,因此,加工一般在真空中進行。電子束加工機由產(chǎn)生電子束的電子槍、控制電子束的聚束線圈、使電子束掃描的偏轉線圈、電源系統(tǒng)和放置工件的真空室,以及觀察裝置等部分組成。先進的電子束加工機采用計算機數(shù)控裝置,對加工條件和加工操作進行控制,以實現(xiàn)高精度的自動化加工。電子束加工機的功率根據(jù)用途不同而有所不同,一般為幾千瓦至幾十千瓦。2、 離子束技術的原理離子束加工技術是在真空條件下,將氬、氪、氙等惰性氣體通過離子源產(chǎn)生離子束,經(jīng)加速、集束、聚焦后,射到被加工表面上以實現(xiàn)各種加工的方法。根據(jù)所利用的物理效應和達到的目的,可分為離子束濺射去除加工、離子束濺射鍍膜加工、離子束注入加工和離子束曝光等幾種。其特點可歸納如下:(1) 加工精度和表面質量高。離子束轟擊材料是逐層去除原子或分子,離子束流密度離子能量可以精確控制,其加工精度可達納米級(0.001um)。由于加工時被加工表面層不產(chǎn)生熱量,不引起機械應力和損傷,故加工質量高。(2) 加工材料廣泛。由于離子束加工原理是力效應,故對脆性、半導體、高分子等材料都可加工。且加工在真空下進行,故也適用于加工易氧化的金屬、合金等材料。(3) 加工方法豐富。離子束加工可進行去除、鍍膜、注入、曝光等多種加工方法。(4) 控制性能好,易于實現(xiàn)自動化。離子束加工被認為是最有前途的超精密加工和微細加工方法,是當代納米加工技術的基礎。目前,離子束加工尚處于不斷發(fā)展中。本文從離子束濺射的力學原理出發(fā),對離子束濺射去除加工的有關問題進行了研究。3、 電子束加工和離子束加工的原理比較電子束加工是在真空條件下,利用聚焦后能量密度極高的電子束,以極高的速度沖擊到工件表面極小面積上,在極短的時間(幾分之一微秒)內(nèi),其能量的大部分轉變?yōu)闊崮?,使被沖擊部分的工件材料達到幾千攝氏度以上的高溫,從而引起材料的局部熔化和氣化,被真空系統(tǒng)抽走??刂齐娮邮芰棵芏鹊拇笮『湍芰孔⑷霑r間,就可以達到不同的加工目的。如只使材料局部加熱就可進行電子束熱處理;使材料局部熔化就可以進行電子束焊接;提高電子束能量密度,使材料熔化和氣化,就可以進行打孔、切割等加工;利用較低能量密度的電子束轟擊高分子光敏材料時產(chǎn)生化學變化的原理,即可以進行電子束光刻加工。離子束加工的原理和電子束加工基本類似,也是在真空條件下,將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速聚焦,使之撞擊到工件表面。不同的是離子帶正電荷,其質量比電子大數(shù)千、數(shù)萬倍,如氬離子的質量是電子的7.2萬倍,所以一旦離子加速到較高速度時,離子束比電子束具有更大的撞擊動能,它是靠微觀的機械撞擊能量,而不是靠動能轉化為熱能來加工的。離子束加工的物理基礎是離子束射到材料表面時所發(fā)生的撞擊效應、濺射效應和注入效應。具有一定動能的離子斜射到工件材料表面時,可以將表面的原子撞擊出來,這就是離子的撞擊效應和濺射效應;如果將工件直接作為離子轟擊的靶材,工件表面就會受到離子刻蝕;如果將工件放置在靶材附近,靶材原子就會濺射到工件表面而被濺射沉積吸附,使工件表面鍍上一層靶材原子的鍍膜;如果離子能量足夠大并垂直工件表面撞擊時,離子就會鉆進工件表面,這就是離子的注入效應。二、電子束加工的應用電子束鉆孔用聚焦方法得到很細的、功率密度為10?10瓦/厘米的電子束周期地轟擊材料表面的固定點,適當控制電子束轟擊時間和休止時間的比例,可使被轟擊處的材料迅速蒸發(fā)而避免周圍材料的熔化,這樣就可以實現(xiàn)電子束刻蝕、鉆孔或切割。同電子束焊接相比,電了束刻蝕、鉆孔、切割所用的電子束功率密度更大而作用時間較短。電子束可在厚度為0.1?6毫米的任何材料的薄片上鉆直徑為1至幾百微米的孔,能獲得很大的深度一孔徑比,例如在厚度為0.3毫米的寶石軸承上鉆直徑為25微米的孔。電子束還適合在薄片(例如燃氣輪機葉片)上高速大量地鉆孔。不銹鋼、耐熱鋼、寶石、陶瓷、玻璃等各種材料上的小孔、深孔。最小加工直徑可達0.003mm,最大深徑比可達10。像機翼吸附屏的孔、噴氣發(fā)動機套上的冷卻孔,此類孔數(shù)量巨大(高達數(shù)百萬),且孔徑微小,密度連續(xù)分布而孔徑也有變化,非常適合電子束打孔,塑料和人造革上打許多微孔,令其象真皮一樣具有透氣性。一些合成纖維為增加透氣性和彈性,其噴絲頭型孔往往制成異形孔截面,可利用脈沖電子束對圖形掃描制出。電子束切割可對各種材料進行切割,切口寬度僅有3?6^m。利用電子束再配合工件的相對運動,可加工所需要的曲面。光刻當使用低能量密度的電子束照射高分子材料時,將使材料分子鏈被切斷或重新組合,引起分子量的變化即產(chǎn)生潛象,再將其浸入溶劑中將潛象顯影出來。把這種方法與其它處理工藝結合使用,可實現(xiàn)在金屬掩膜或材料表面上刻槽。電子速焊接電子束功率密度達10?10瓦/厘米時,電子束轟擊處的材料即局部熔化;當電子束相對工件移動,熔化的金屬即不斷固化,利用這個現(xiàn)象可以進行材料的焊接。電子束焊具有深熔的特點,焊縫的深寬比可達20:1甚至50:1。這是因為當電子束功率密度較大時,電子束給予焊接區(qū)的功率遠大于從焊接區(qū)導走的功率。利用電子束焊的這一特點可實現(xiàn)多種特殊焊接方式。利用電子束幾乎可以焊接任何材料,包括難熔金屬(W、Mo、Ta、Nb)、活潑金屬(Be、Ti、Zr、U)、超合金和陶瓷等。此外,電子束焊接的焊縫位置精確可控、焊接質量高、速度快,在核、航空、火箭、電子、汽車等工業(yè)中可用作精密焊接。在重工業(yè)中,電子束焊機的功率已達100千瓦,可平焊厚度為200毫米的不銹鋼板。對大工件焊接時須采用大體積真空室,或在焊接處形成可移動的局部真空。電子束熔煉電子束熔煉法發(fā)明于1907年,但直到50年代才用于熔煉難熔金屬,后來又用于熔煉活潑金屬(如Ti錠)和高級合金鋼。電子束加熱可使材料在真空中維持熔化狀態(tài)并保持很長時間,實現(xiàn)材料的去氣和雜質的選擇性蒸發(fā),可用來制備高純材料。電子束加熱是電能轉為熱能的有效方式之一,大約有50%功率用于熔化和維持液化。功率在60千瓦以下的電子束熔煉機可用直熱式鎢絲作為電子槍的陰極。60千瓦以上熔煉機的電子槍則用間熱式塊狀鉭陰極,它由背后的鎢絲所發(fā)射的電子轟擊加熱到2700K,可有每平方厘米為幾安的發(fā)射電流密度。電子槍加速電壓約30千伏,這樣容易防止電擊穿和減弱X射線輻射,電子束用磁聚焦和磁偏轉。電子槍和熔煉室用不同的真空泵抽氣,真空度分別維持在10和10
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