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1、第六章 电子束和离子束加工电子束加工-Electron Beam Machining离子束加工-Ion Beam Machining电子束加工主要用于打孔、焊接、切割、刻蚀、热处理和光刻加工等方面。离子束加工主要用于离子刻蚀、离子镀膜加工以及离子注入加工等方面。第一节 电子束加工一 电子束加工的原理及特点1 电子束加工原理电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高（106-108w/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在极短的时间内（几分之一微秒），其大部分能量（动能）转化为热能，使被冲击部分工件材料达到几千摄氏度的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走
2、。 二 电子束加工的特点1 电子束能够实现极细微的聚焦，所以加工面积很小，是一种微细加工的方法。2 电子束能量密度很高，使照射部分的温度超过材料熔化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式的加工方式，没有宏观切削力和变形，材料加工范围广泛，对脆性、韧性、导体、非导体和半导体都能加工。3 电子束的能量密度高，因而加工生产率高。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，整个加工过程易于实现自动化。5由于电子束加工是在真空环境下进行，因而污染少，加工表面不会氧化，特别适于加工易氧化的金属及合金，以及纯度要求极高的半导体材料。6 电子束加工需要一套专用的设备和真空系统，
3、价格较贵，生产应用有一定的局限性。三 电子束加工装置一般说来，一套典型的电子束加工装置主要包括以下几个主要组成部分电子枪真空系统控制系统电源1 电子枪作用：发射电子束组成：发射阴极，控制栅极、加速阳极2 真空系统真空系统的主要作用是保证电子束加工时维持1.3310-2-1.3310-4Pa的真空度，因为只有在真空中，电子才能高速运动。此外，加工时产生的金属蒸汽会影响电子的发射和运动，因此也需要不断地把加工中产生的金属蒸汽不断抽走。3 控制系统和电源电子束加工设备控制系统主要包括：束流聚焦控制、束流位置控制和束流强度控制。束流的位置控制是为了改变电子束的方向，常用电磁偏转来控制电子束焦点的位置。
4、电子束加工设备对电源电压的稳压性要求较高，因为电压波动会影响电子束聚焦的稳定性。四 电子束加工的应用1 电子束打孔1）高速打孔。目前电子束可以加工出最小直径3微米的微孔。例如在0.1mm厚的不锈钢板上加工直径0.2mm的孔，加工速度为3000个/秒。2）在人造皮革、塑料上打大量微孔。3）加工玻璃、宝石、陶瓷等脆硬材料。但加工前脆硬材料需要用电阻炉或电子束进行预加热。2 加工型孔及特殊表面电子束加工的喷丝头异型孔截面补充图形3 电子束光刻此外，电子束还可以进行焊接、切割和热处理等。第二节 离子束加工一 离子束加工的基本原理离子束加工和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过
5、加速聚焦，使之撞击到工件表面。不同的是离子带正电，其质量比电子大数千、数万倍，所以一旦离子加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。二 离子束加工的分类 根据离子束加工所利用的物理效应和应用目的，将其分为1 离子刻蚀加工2 离子溅射沉积加工3 离子镀4 离子注入加工1 离子刻蚀加工Ar工件离子束离子刻蚀是利用能量为0.5-5000ev的氩离子倾斜轰击工件表面，将工件表面的原子逐个剥离，其实质是一种原子尺度的加工，所以又称为离子铣削。2 离子溅射沉积Ar靶材离子束工件离子溅射沉积也是采用能量为0.5-5000ev的氩离子倾斜轰击
6、靶材表面，氩离子将靶材表面的原子击出，垂直沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层靶材薄膜，所以离子溅射沉积是一种典型的镀膜工艺。3 离子镀Ar靶材离子束工件离子镀也是采用能量为0.5-5000ev的氩离子，跟离子溅射沉积不同的是，在镀膜时离子束同时轰击靶材和工件表面，其目的是为了增强膜材和工件基材之间的结合力。4 离子注入加工Ar工件离子束离子注入加工采用能量为5-500Kev的较高能量的离子束，直接垂直轰击工件材料表面，由于离子的能量相当大，离子就钻进被加工工件材料表面层。工件材料表面含有注入的离子成分后，就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理和化学性能。可根据不同目的选用不同
7、的离子注入（可注入任何离子）。离子注入改善金属表面性能的应用正在形成一个新兴的领域，利用离子注入可以改变金属表面的物理化学性能，可以制得新的合金，从而改变金属表面的抗蚀性、抗疲劳特性、润滑性和耐磨性。三 离子束加工的特点1 由于离子束轰击材料表面是逐层去除原子的，离子刻蚀可以达到纳米级加工精度，离子镀膜也可以控制在亚微米级精度，因此离子束加工是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法，是当代纳米加工技术的基础。2 离子束加工在高真空环境下进行，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进行加工。3 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用，宏观压力很小，所以加工应力、热变形极小，加工质量高，适合于加工各种材料和低刚度薄壁零件。4 与电子束加工类似，离子束加工设备费用贵、成本高，应用范围受到一定的限制。
