第6章 電子束和離子束加工

6電子束和離子束加工

6.1電子束加工

1.加工原理

電子束加工是利用高速電子的沖擊動(dòng)能來加工工件的，如圖6-1所示。在真空條件下，將具有很高速度和能量的電子束聚焦到被加工材料上，電子的動(dòng)能絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使材料局部瞬時(shí)熔融、汽化蒸發(fā)而去除。圖6-1電子束加工原理

控制電子束能量密度的大小和能量注入時(shí)間，就可以達(dá)到不同的加工目的。如只使材料局部加熱就可進(jìn)行電子束熱處理；使材料局部熔化就可以進(jìn)行電子束焊接；提高電子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可進(jìn)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材料時(shí)產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，即可進(jìn)行電子束光刻加工。

2．特點(diǎn)與應(yīng)用 電子束加工的特點(diǎn)如下：

(1)電子束能夠極其微細(xì)地聚焦(可達(dá)l～0.1μm)，故可進(jìn)行微細(xì)加工。

(2)加工材料的范圍廣。由于電子束能量密度高，可使任何材料瞬時(shí)熔化、汽化且機(jī)械力的作用極小，不易產(chǎn)生變形和應(yīng)力，故能加工各種力學(xué)性能的導(dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料。

(3)加工在真空中進(jìn)行，污染少，加工表面不易被氧化。

(4)電子束加工需要整套的專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴，故在生產(chǎn)中受到一定程度的限制。

電子束加工的應(yīng)用：（1）高速打孔（2）加工型面及特殊表面（3）刻蝕（4）焊接（5）熱處理（6）電子束光刻圖6-2電子束加工的噴絲頭異形孔電子束加工應(yīng)用于加工微細(xì)小孔、異型孔圖6-3電子束加工曲面、穿孔

電子束加工彎曲的型面：

其原理為：電子束在磁場(chǎng)中受力，在工件內(nèi)部彎曲，工件同時(shí)移動(dòng)，即可加工曲面Ⅰ；隨后改變磁場(chǎng)極性，即可加工曲面Ⅱ；在工件實(shí)體部位內(nèi)加工，即可得到彎槽Ⅲ；當(dāng)工件固定不動(dòng)，先后改變磁場(chǎng)極性，二次加工，即可得到一個(gè)入口、兩個(gè)出口的彎孔Ⅳ。拉制電子束速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，即可控制曲率半徑。

6.2離子束加工

1．加工原理 離子束加工也是一種新興的特種加工，它的加工原理與電子束加工原理基本類似，也是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以實(shí)現(xiàn)加工的。所不同的是離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千倍乃至數(shù)萬倍，故在電場(chǎng)中加速較慢，但一旦加至較高速度，就比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能。離子束加工是靠微觀機(jī)械撞擊能量轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行的。

離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時(shí)所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。離子束加工可分為四類。

1)離子刻蝕 離子轟擊工件，將工件表面的原子逐個(gè)剝離，又稱離子銑削，其實(shí)質(zhì)是一種原子尺度的切削加工。

2)離子濺射沉積 離子轟擊靶材，將靶材原子擊出，沉積在靶材附近的工件上，使工件表面鍍上一層薄膜。

3)離子鍍(又稱離子濺射輔助沉積)

離子同時(shí)轟擊靶材和工件表面，目的是為了增強(qiáng)膜材與工件基材之間的結(jié)合力。

4)離子注入 離子束直接轟擊被加工材料，由于離子能量相當(dāng)大，離子就鉆入被加工材料的表層。工件表面層含有注入離子后，就改變了化學(xué)成分，從而改變了工件表面層的機(jī)械物理性能。

2．特點(diǎn)及應(yīng)用 離子束加工有如下特點(diǎn)：

(1)離子束加工是目前特種加工中最精密、最微細(xì)的加工。離子刻蝕可達(dá)納米級(jí)精度，離子鍍膜可控制在亞微米級(jí)精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。

(2)離子束加工在高真空中進(jìn)行，污染少，特別適宜于對(duì)易氧化的金屬、合金和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工。

(3)離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實(shí)現(xiàn)的，是一種微觀作用，所以加工應(yīng)力和變形極小，適宜于對(duì)各種材料和低剛件零件進(jìn)行加工。

離子束加工的應(yīng)用： （1）刻蝕加工(如加工空氣軸承的溝槽，加工極薄材料等)；（2）鍍膜加工(如在金屬或非金屬材料上鍍制金屬或非金屬材料)；（3）注入加工(如某些特殊的半導(dǎo)體器件)等。

思考題電子束和離子束在原理上和在應(yīng)用范圍上有何異同？電子束加工、離子束加工和激光加工相