航空航天特殊材料加工技术

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1、航空航天特殊材料加工技术 电子束加工摘要:电子束加工技术是近年发展起来的一种先进制造技术。由于它所具有的各 种独特的优点，已在众多的工业领域得到了非常广泛的应用，其在材料表 面改性、机械加工等方面的应用已受到广泛关注。主要介绍电子束在打孔 熔炼、显微技术和焊接等方面的工业应用。关键词:电子束；加工原理；工业应用1 引言近年来，许多国家对电子束加工原理及方法进行了大量的实验研究，并在工 业上得到一定的实际应用，使得该技术得到了飞速发展。本文主要针对电子束加 工技术的发展、研究现状和应用进行理论分析和探讨。2 电子书技术在国内外的发展现状电子束技术是一种非接触加工的高能束流加工技术。它利用经高压静

2、电场和 电磁场加速与会聚的高能量电子流作为热源，对工件或材料实施各种特殊的加 工。由于它具有能量密度极高、热效率高、精密易控及多功能等等特点，在工业 领域的各个行业得到了广泛的应用，是高科技发展不可缺少的特种加工手段之 一。1948年，德国物理学家SteigerwaldK.H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 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6

3、0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。并在 20 世纪70年代进入市场，使得制造掩膜或器件所能达到的最小线宽已小于0. 5 m m。近年来，国外对电子束焊接及其他电子束加工技术的研究主要在于以下几个 方面： 1）完善超高能密度电热源装置； 2）掌握电子束品质及与材料的交换行为 特性，改进加工工艺技术；3）通过计算机CNC控制提高设备柔性以扩大应用领 域。我国自 20 世纪 60 年代初期开始研究电子束加工工

4、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，并选用 1Cr18Ni9Ti 和 GCr15 进行初步的改性应用尝试性工作。吴爱民等以 H13 和 D2 模具钢为基材，通过脉冲电子束直接淬火和电子束表面合

5、金化等方法进行表面改 性处理试验。虽然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，今后的任务还很艰巨。3 电子束加工原理电子束流是由高压加速装置在真空条件下形成束斑极小的高能电子流，属于 高能密度束流(HEDB)，真空电子束的功率密度大于I。6W /Cm2，极限功率为 300 kW。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，其加工原理如图 1 所示。按

6、照电 子束加工所产生的效应，可以将其分为两大类：电子束热加工和电子束非热加工。图电产束加丁原理3.1 电子束热加工 电子束热加工是将电子束的动能在材料表面转化成热能，以实现对材料的加工,其中包括： 1)电子束精微加工。可完成打孔、切缝和刻槽等工艺，这种设备 一般都采用微机控制，并且常为一机多用； 2)电子束焊接。与其他电子束加工 设备不同之处在于，除高真空电子束焊机之外，还有低真空、非真空和局部真空等类型； 3）电子束镀膜。可蒸镀金属膜和介质膜； 4）电子束熔炼。包括难熔金 属的精炼，合金材料的制造以及超纯单晶体的拉制等； 5）电子束热处理。包括 金属材料的局部热处理以及对离子注入后半导体材料

7、的退火等。上述各种电子束 加工总称为高能量密度电子束加工。电子由电子枪的阴极发出，通过聚束极汇聚成电子束，在电子枪的加速电场 作用下，电子的速度被提高到接近或达到光速的一半，具有很高的动能。电子束 再经过聚焦线圈和偏转线圈的作用，汇聚成更细的束流。束斑的直径为数微米至1mm，在特定应用环境，束斑的直径甚至可以小到几十纳米，其能量非常集中。电子束的功率密度可高达10 9W /mm 2 。当电子束轰击材料时，电子与金 属碰撞失去动能，大部分能量转化成热能，使材料局部区域温度急剧上升并且熔 化，甚至气化而被去除，从而实现对材料的加工。3.2 电子束非热加工 电子束非热加工是基于电子束的非热效应，利用

8、功率密度比较低的电子束和电子 胶（又称电子抗蚀剂，由高分子材料组成）相互作用产生的辐射化学或物理效应对 材料进行加工。其应用领域主要是电子束曝光。电子束曝光原理如图 2 所示，是 先在待加工材料表面，涂上具有高分辨率和高灵敏度的化学抗腐蚀涂层，然后通 过计算机控制电子束成像电镜及偏转系统，聚焦形成高能电子束流，轰击涂有化 学抗腐蚀涂层的材料表面，形成抗腐蚀剂图形，最后通过离子注入、金属沉淀等 后续工艺将图形转移到材料表面。肉M注人rIJll f-K 电r束曝光17金尿沉淀丄:胶后图2电严束曝光原理4 电子束加工的特点根据电子束流的产生原理，电子束加工具有如下特点： 1）电子束发射器发 射的电子

9、束流束斑极小，且可控，可以用于精密加工；2）对于各种不同的被处理 材料，其效率可高达75% 98%，而所需的功率则较低； 3）能量的发生和供应源 可精确地灵活移动，并具有高的加工生产率； 4）可方便地控制能量束，实现加 工自动化;；5）设备的使用具有高度灵活性，并可使用同一台设备进行电子束焊 接、表面改善处理和其他电子束加工； 6）电子束加工是在真空状态下进行，对 环境几乎没有污染;；7）电子束加工对设备和系统的真空度要求较高，使得电子 束加工价格昂贵，一定程度上限制了其在生产中的应用。5 电子束加工在材料加工中的应用由于电子束流具有以上特点，目前，已被广泛地应用于高硬度、易氧化或韧 性材料的

10、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不可缺少 的特种加工手段之一。5.1 电子束焊接电子束焊接技术是一种利用电子束作为热源的焊接工艺，它利用经高压静电 场与电磁场加速与会聚的高能量密度电子束轰击焊件表面，将电子的动能大部分 转变为热能，使焊件接头处的金属熔融，达到焊接的目的。电子束焊接的工作原 理见图 3。图 3 真空电子束焊机工作原理示意图 电子束焊接有着无可置疑的优越性：(1) 电子束能量高度集中，密度为106 109 W/ cm

11、 2 ，约为普通电弧或氩弧的10100万倍。因此可以实现深而窄的焊缝型式，可将200300mm 厚的钢材一次焊成，而用电弧焊则需堆焊 150 次以上。(2) 电子束焊接所需线能量小而焊接速度又高，因此焊件热影响区小，焊 件变形也就小，常可用于精加工后的焊接。焊缝的深宽比可达20： 1, 采用高压枪或特殊焊接工艺，深宽比可高达50 : 1。(3) 电子束焊接一般不需加填料，焊接过程在真空中进行，当真空度为10-2Pa时，空气中的剩余气体(H2、O2等)含量小于0.132ppm,而一般 高纯惰性保护气体的杂质含量为50ppm。因此电子束焊接的焊缝化学 成份非常纯净，焊接的接头强度高，常可高于母材的

12、强度，焊缝质量 是其它任何焊接所无法比拟的。(4) 电子束焊接可适用于几乎所有的金属材料，如普通碳钢、不锈钢、合 金钢、铜、铝、难熔金属及活泼金属等。(5) 电子束焊接的工艺参数可精确控制，结合现代计算机技术，可实现复 杂焊缝和变截面焊缝的焊接、焊缝自动跟踪及焊接过程的自动化等。5.2 电子束熔炼电子束熔炼主要用于材料的提纯、真空浇铸以及贵金属的回收重熔，还可以用于制取半导体材料和难熔金属及其合金的单晶等。电子束熔炼也是利用高能量密度的电子束在轰击金属时产生高温使金属 熔化。由于这一过程是在真空中进行，并且材料处于熔融状态的时间可按需 要控制，因此可以获得较好的提纯效果，容易获得高纯度的材料。

13、这是电子 束熔炼优于其它真空熔炼的一个重要特点。此外由于电子束能量密度高，能 量调节方便,特别适用于熔炼难熔金属。对于金属钽,经电子束一次熔炼后，总 气体含量可下降 88%，经二次电子束熔炼后，总气体含量可降低99%；对于 金属铌，一次熔炼可使总气体含量降低 89%，二次熔炼可降低 96.5%；对于 金属钨，一次熔炼可使总气体含量降低 96%，二次熔炼降低99%。由此可见 电子束熔炼的提纯效果是十分显著的，对于其它金属材料如钼、镍基合金、 高强钢等,都有很好的提纯效果。5.3 电子束打孔用电子束对材料进行打孔加工时 , 要求电子束的能量密度需大于 108 W /cm 2 ,每个电子束脉冲打一个

14、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，能加工包括异形孔（见图4a、图4b）、斜孔（见图4c）、锥孔（见图4d） 和弯孔在内的各种孔,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0.10.8mm,最大深度为5mm;在实验室中，加工直径为0.051.5mm,最大 深度为 10mm。a)b)c)d)图4 电子束加工几种典型孔的形状5.4 电

15、子束显微技术现代微电子技术领域中，产品的设计和研究都需要对样品的内部结构和表面 形貌进行成像观察，以及对样品表面或界面的微观结构和化学成分进行定性和定 量分析。为此，人们利用电子束显微技术研制了各种电子光学仪器，它利用电子 束轰击样品材料，对产生的各种携带物理和化学信息的粒子经过接受、转换和处 理获得关于样品的物理结构和化学成分信息的信号，而达到材料微观结构和化学 成分的定性定量分析。由于电子的波长很短,因此电子光学仪器的分辨率都比较高，如光学显微镜 的放大倍数受衍射影响和限制，只能做到放大率W2000,这对材料微观结构的研 究是不可能的；而电子显微镜的放大倍数已达80万倍以上，可十分清晰地进

16、行 材料的微观观察与分析。在大规模集成电路的研制和生产中，当采用电子束曝光、光刻时就可以不用 掩模板，直接用电子束光刻图形相当灵活，其分辨率可高达0.05m m,而用一般 光学曝光方法的分辨率只能达到1M m左右。又如俄歇电子谱仪是一种对分析样 品非破坏性的分析仪器，能定性和定量地分析材料表面的化学成分，是一种性能 优良的电子表面探针。电子束技术在工业中的应用并不限于本文所述，电子束技 术在不断的发展，其应用领域也在不断拓宽，许多研究工作还在深入，电子束技 术在工业中的应用存在巨大的潜力。6 结语电子束加工属于特种加工的一部分，其在工业生产中的应用还有很多，随着 电子束技术的不断发展，以及科技人员更深入的研究，电子束技术的应用领域也 在不断拓宽，在工业中的应用前景值得期待。参考文献1