1、電子束和離子束加工第1頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五6.1 電子束加工一、電子束加工的原理和特點二、電子束加工裝置三、電子束加工的應用第2頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五熔化、氣化一、電子束加工原理電流加熱陰極發射電子加 速聚 焦能量密度沖擊工件表面工件溫度能量密度：103106kW/cm2幾千第3頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五經過電磁透鏡聚焦的高能電子束流，在真空條件下直接轟擊工件表面，使加工區材料熔化和氣化，實現加工。偏轉線圈用以控制電子束的掃描軌跡。一、電子束加工原理第4頁，共68頁，2022年，5月20日，4點

2、23分，星期五 通過控制電子束能量密度的大小和能量注入時間，就可以達到不同的加工目的。電子束打孔、切割等加工：高電子束能能量密度，使材料融化和氣化，就可以進行；電子束焊接：使材料局部融化就可以進行；電子束熱處理：只使材料局部加熱就可以進行；電子束光刻加工：利用較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時產生化學變化的原理，即可進行。電子束加工分類第5頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五1、電子束可以微細的聚焦，斑點小至0.1m，所以加工面積可以很小，是一種精密微細的加工方法。2、電子束加工是一種非接觸式加工。工件不受機械力作用，不產生宏觀應力和變形。3、加工材料范圍很廣，對脆性、韌

3、性、導體、非導體及半導體材料均可加工。4、電子束的能量密度高，因而加工效率很高，例如，每秒可在2.5mm厚的鋼板上鉆50個直徑為0.4mm的孔。 電子束加工的特點第6頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五5、可通過磁場或電場對電子束的強度、位置、聚焦等進行直接控制，所以整個加工過程易于實現自動化。還可以通過電氣控制加工異形孔，實現曲面弧形切割等。6、由于處于真空環境中，因而污染少，加工表面不氧化，特別適合于加工易氧化的金屬及合金材料，以及純度要求極高的半導體材料。7、電子束加工需要一套專用設備和真空系統，價格較貴，生產應用有一定的局限性。電子束加工的特點第7頁，共68頁，20

4、22年，5月20日，4點23分，星期五二、電子束加工裝置電子槍 電子發射陰極、控制柵極和加速陽極等；真空系統控制系統電磁透鏡、偏轉線圈、工作臺系統電源系統輔助裝置 第8頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五電子槍用途：發射高速電子流電子束的預聚焦電子束的強度控制組成電子發射陰極（純鎢或純鉭）控制柵極加速陽極 鎢絲23光速小功率大功率第9頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五真空系統抽真空的目的保證電子高速運動去除金屬蒸汽減小表面污染作用原理機械泵(初級)：真空室抽至1.40.14Pa擴散泵或渦輪分子泵(二級)：抽至0.0140.00014Pa的高真空度第10

5、頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五控制系統束流強度控制 (7)束流聚焦控制 (8)束流位置控制 (9)工作臺的位移控制 (1)第11頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五 電子束加工在加速陽極的作用下高速運動，經過電磁透鏡時，受到徑向和軸向磁場的作用，電子受切向力和軸向力后的運動軌跡呈螺旋錐形，并聚焦到一點。電子束加工中電子運動軌跡第12頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五電子束加工裝置由電子槍系統（包括陰極、控制柵極、加速陽極、光闌和電源等），真空系統和控制系統及電源（包括電磁透鏡、偏轉線圈及工作臺控制）組成。電子束加工裝置第13頁

6、，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五三、電子束加工的應用電子束加工的分類功率密度對加工模式的影響電子束加工的應用范圍應用例（1）高速打孔（2）加工異型孔或特殊表面（3）焊接（4）表面改性/熱處理（5）電子束光刻第14頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五熱型（熱效應）局部加熱至熔化或氣化點進行加工 打孔切割焊接 非熱型（化學效應）利用電子束的化學效應進行刻蝕刻蝕 電子束加工的分類第15頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五功率密度對加工模式的影響a) 低密度表面改性b) 中低密度c) 高密度電子束焊接電子束打孔、切槽第16頁，共68頁，20

7、22年，5月20日，4點23分，星期五電子束加工的應用范圍第17頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五（1）高速打孔特點能打各種孔（最小3m ）生產效率高可加工各種材料實際應用各種金屬零件上打孔(3000個/秒)人造革上打孔(透氣性，5000個/秒)在脆性材料上打孔第18頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五脆性材料上打孔為了防止正反面溫差大，引起變形或破裂，進行預熱處理預熱方法電阻爐加熱電子束預熱第19頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五（2）加工異型孔噴絲頭異型孔的加工過濾網第20頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期

8、五加工曲面和彎孔可在鋼板上加工錐孔（如1mm厚的鋼板，0.13mm的錐孔，每秒可打400孔；3mm厚時，1mm的錐形孔，每秒可打20孔。）可加工斜孔。可以加工各種直的型孔和型面，也可以加工彎孔和曲面。第21頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五電子束在磁場中運動，由于受到電磁力，其軌跡會發生偏轉。如果在磁場中對工件加工，則可切割出曲面。電子束加工曲面第22頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五電子束在磁場中運動，由于受到電磁力，其軌跡會發生偏轉。如果在磁場中對工件中部進行切割時，則可加工出彎槽。電子束加工彎槽第23頁，共68頁，2022年，5月20日，4點2

9、3分，星期五（3）焊接 電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝。 當高能量密度的電子束轟擊焊件表面時，使焊件接頭處的金屬熔融，在電子束連續不斷的轟擊下，形成一個被熔融金屬環繞的毛細管狀的熔池，如焊件沿接縫與電子束作相對移動，則接縫上的熔池重新凝固，使焊件的整個接縫形成焊縫。電子束焊接原理：第24頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五焊接功率與焊縫深度的關系熔化深度焊接功率焊接速度：1m/min第25頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五焊接特點焊縫深而窄熱影響區小，變形小不產生新的污染，焊接強度高TIG焊接等離子焊接LB 焊接EB 焊接第26頁，共68

10、頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五可焊接難熔金屬如鉭、鈮、鉬等。可焊接化學性能活潑金屬。能完成一般焊接方法難以實現的異種金屬焊接。可在工件精加工后進行焊接。也可以將復雜件分解加工，最后焊接成整件 。焊接應用第27頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五焊接加工樣件第28頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五衛星姿態發動機氣瓶直徑約300mm，由不銹鋼板沖壓成半球。要求用電子束焊接將兩半球焊在一起，同時要求將焊口對側內壁毛刺熔融。焊接加工樣件第29頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五（4）表面改性/熱處理加熱冷卻速度快，獲得超細晶

11、粒和很高的表面硬度。熱轉化效率高，可達90，而激光的轉換效率只有710。可實現合金化合金化局部熱處理第30頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五（5）電子束光刻 電子束光刻是先利用低功率密度的電子束照射稱為電致抗蝕劑的高分子材料，由入射電子與高分子相碰撞，使分子的鏈被切斷或重新聚合而引起分子量的變化，這一步驟稱為電子束曝光。若按規定圖形進行電子束曝光，就會在電致抗蝕劑中留下潛像。第31頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五將它浸入適當的溶劑中，則由于分子量不同而溶解度不一樣，就會使潛像顯影出來，這一步驟稱為顯影。光刻-顯影第32頁，共68頁，2022年，5月

12、20日，4點23分，星期五去掉抗蝕劑留下圖形離子束刻蝕或蒸鍍光刻第33頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五電子束曝光加工過程用電子束光刻曝光最佳可達0.25m的線條圖形分辨率。第34頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五電子束掃描：即將聚焦到小于1m的電子束斑在大約0.55mm的范圍內按程序掃描，可曝光出任意圖形。面曝光：使電子束先通過原版，這種原版是用別的方法制成的比加工目標的圖形大幾倍的模板。再以1/51/10的比例縮小投影到電子抗蝕劑上進行大規模集成電路圖形的曝光。它可在幾毫米見方的硅片上安排十萬個晶體管或類似的元件。電子束曝光方法第35頁，共68頁

13、，2022年，5月20日，4點23分，星期五電子束掃描曝光系統第36頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五電子束投影曝光第37頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五在微電子器件生產中，可利用電子束對陶瓷或半導體材料刻出微細溝槽和孔來，如在硅片上刻出寬2.5m，深0.25m的細槽，在混和電路電阻的金屬鍍層上刻出40m寬的線條。電子束刻蝕還可用于制版。電子束光刻應用第38頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五電子束光刻應用第39頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五6.2 離子束加工一、離子束加工的原理、分類和特點二、離子束加

14、工裝置三、離子束加工的應用第40頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五一、離子束加工的原理、分類和特點（1）離子束加工的原理和物理基礎（2）離子束加工的分類（3）離子束加工的特點第41頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五（1）離子束加工的原理和物理基礎加工原理：與電子束基本相似，在真空條件下，將離子源產生的離子束經過加速聚焦，使之撞到工件表面。不同的是離子束帶正電荷，其質量比電子大數千、數萬倍，一經加速，它將具有比電子束大的多的沖擊動能。在加工時，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。 第42頁，共68頁，2022年，5月20日，4點2

15、3分，星期五離子束加工原理電流加熱陰極發射電子Ar+ 加速聚 焦能量密度機械沖擊能量撞擊、濺射、注入氬氣被電離惰性氣體第43頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五離子碰撞過程 Ar+直徑：亞納米 Ar+質量=7.2萬倍電子質量第44頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五離子束加工的物理基礎是離子束射到材料表面時所發生的撞擊效應、濺射效應和注入效應。撞擊效應和濺射效應：具有一定動能的離子斜射到工件材料（或靶材）表面時，可以將表面的原子撞擊出來。離子注入效應：當離子能量足夠大并垂直工件表面撞擊時，離子會鉆進工件表面。離子束加工的物理基礎第45頁，共68頁，202

16、2年，5月20日，4點23分，星期五（2）離子束加工的分類a）離子刻蝕b）離子濺射沉積c）離子鍍d）離子注入第46頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五離子刻蝕 用能量為0.55keV的氬離子轟擊工件，將工件表面的原子逐個剝離。其實質是一種原子尺度的切削加工，所以又稱離子銑削。注：1eV即一個電子伏，是一個電子在真空中通過1V電位差加速所獲得的能量，1eV1.610-19J。第47頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五用氬離子加速轟擊工件，將工件原子逐個剝離，實現加工。離子刻蝕演示第48頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五離子濺射沉積采用

17、能量為0.55keV的氬離子，轟擊某種材料制成的靶，離子將靶材原子擊出，沉積在靶材附近的工件上，使工件表面鍍上一層薄膜。所以實質上濺射沉積是一種鍍膜工藝。第49頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五用離子轟擊靶材，使靶材原子被擊出，沉積并鍍覆在工件表面上。離子濺射沉積演示第50頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五離子鍍也稱離子濺射輔助沉積，是用0.55keV的氬離子，在鍍膜時，同時轟擊靶材和工件表面。目的是為了增強膜材與基材之間的結合力。也可將靶材高溫蒸發，同時進行離子鍍。第51頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五與離子濺射沉積類似，離

18、子在轟擊靶材同時，還轟擊工件表面，使鍍膜更加牢固。離子鍍演示第52頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五離子注入采用5500keV能量的離子束，直接轟擊被加工材料，由于離子能量相當大，離子就鉆進被加工材料的表面層。工件表面層含有注入離子后，就改變了化學成分，從而改變了工件表面層的機械物理性能。第53頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五用高能量粒子直接擊入工件，令工件表面層改性。離子注入演示第54頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五1）離子束流密度及離子能量可以精確控制。離子束加工是所有特種加工方法中最精密、最精細的加工方法，是當代毫微米

19、（納米）加工技術的基礎。2）離子加工在高真空中進行，所以污染少，適于對易氧化金屬、合金材料和高純度半導體材料的加工。3）離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實現的。宏觀壓力很小，加工應力、熱變形等極小，加工質量高。4）利用機械碰撞能量加工，故加工范圍廣，適合于對各種材料和低剛度零件的加工。5）加工過程容易控制，易實現自動化。6）離子束加工設備費用高、成本高，加工效率低。 （3）離子束加工的特點第55頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五二、離子束加工裝置離子束加工裝置包括離子源、真空系統、控制系統和電源部分。離子源用以產生離子束流。產生離子束流的基本原理和方法是使原子電離。

20、常用的離子源有考夫曼型離子源和雙等離子管型離子源。 第56頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五考夫曼型離子源由灼熱的燈絲發射電子，在陽極的作用下向下方移動，同時受電磁線圈磁場的偏轉作用，作螺旋運動前進。惰性氣體氬在注入口注入電離室，在電子的撞擊下被電離成等離子體，陽極和引出電極上各有300個直徑為0.3mm的小孔，上下位置對齊。在引出電極的作用下，將離子吸出，形成300條準直的離子束，再向下側均勻分布在直徑為5cm的圓面積上。 第57頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五雙等離子體型離子源利用陰極和陽極之間低氣壓直流電弧放電，將惰性氣體在陽極小孔上方的低真

21、空區（0.10.01Pa）等離子體化。中間電極的電位一般比陽極電位低，它和陽極都用軟鐵制成，因此在這兩個電極之間形成很強的軸向磁場，使電弧放電局限在這中間，在陽極小孔附近產生強聚焦高密度的等離子體。引出電極將正離子導向陽極小孔以下的高真空區（1.331051.33106Pa），再通過靜電透鏡形成密度很高的離子束去轟擊工件表面。 第58頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五（1）刻蝕加工（2）離子鍍膜加工（3）離子注入加工三、離子束加工的應用第59頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五（1）刻蝕加工 離子刻蝕是從工件上去除材料，是一個撞擊濺射過程。當離子束轟擊

22、工件，入射離子的動量傳遞到工件表面的原子，傳遞能量超過了原子間的鍵合力時，原子就從工件表面撞擊濺射出來，達到刻蝕的目的。 為了避免入射離子與工件材料發生化學反應，必須用惰性元素的離子。氬氣的原子系數高，而且價格便宜，所以通常用氬離子進行轟擊刻蝕。 離子刻蝕的過程是逐個原子剝離的，刻蝕的分辨率可達微米甚至亞微米級，但刻蝕速度很低。第60頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五刻蝕加工時，對離子入射能量、束流大小、入射角度以及工作室氣壓等都能分別調節控制，根據不同的加工需要選擇參數。用氬離子轟擊被加工表面時，其效率取決于離子能量和入射角度。刻蝕率隨能量增大而迅速增加，隨入射角度增大而增加，但入射角增大的同時會使表面有效束流減小，一般入射角4060時刻蝕率最高。刻蝕加工的控制第61頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五加工陀螺儀空氣軸承和動壓馬達上的溝槽；加工非球面透鏡；刻蝕高精度的圖形；制作集成光路中的光柵和波導；形成極光滑玻璃表面；在太陽能電池表面獲取非反射紋理表面；致薄材料。刻蝕加工的典型應用第62頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五加工非球面透鏡第63頁，共68頁，2022年，5月20日，4點23分，星期五離子鍍膜加工有濺射沉積和離子鍍兩種。離子鍍時工件不僅接受靶材濺射來的原子，還同時受到離子