现代加工技术-09电子束离子束加工

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1、哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术电 子 束 离 子 束 加 工 1贾 宝 贤 ( 5687026 Electron Beam Machining Ion Beam MachiningEBM IBM 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术课 程 内 容 大 纲 2 1绪 论 2电 火 花 加 工 3电 火 花 线 切 割 加 工 4电 化 学 加 工 5超 声 波 加 工 6磨 料 与 水 喷 射 加 工 7激 光 加 工 8快 速 原 型 制 造 9电 子 束 、 离 子 束 加 工 10化 学 加 工 、 等 离 子 体 、 磁 性 磨 料 加 工 、 挤 压 珩

2、磨 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术7.1 电 子 束 加 工 3 一 、 电 子 束 加 工 的 原 理 和 特 点二 、 电 子 束 的 加 工 装 置三 、 电 子 束 加 工 应 用 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术概 述 4 利 用 高 能 量 密 度 的 电 子 束 对 材 料 进 行 工 艺 处 理 的 一 切方 法 统 称 为 电 子 束 加 工 。p 电 子 束 加 工 （ Electron Beam Machining 简 称 EBM）起 源 于 德 国 。 1948年 德 国 科 学 家 斯 特 格 瓦 发 明 了 第 一 台 电子 束 加

3、 工 设 备 。p 经 过 几 十 年 的 发 展 ， 目 前 电 子 束 加 工 技 术 已 在 核 工 业、 航 空 宇 航 、 精 密 制 造 等 工 业 部 门 广 泛 应 用 。 电 子 束 加 工应 用 于 ： 电 子 束 焊 接 、 打 孔 、 表 面 处 理 、 熔 炼 、 镀 膜 、 物理 气 相 沉 积 、 雕 刻 、 铣 切 、 切 割 以 及 电 子 束 曝 光 等 。p 目 前 ， 世 界 上 电 子 束 加 工 技 术 较 先 进 的 国 家 ： 德 国 、日 本 、 美 国 、 俄 罗 斯 以 及 法 国 等 。 电 子 束 加 工 3分 45.mp4 哈 工 大

4、 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术 EB- Generator von pro-beam 阴 极 支 撑阴 极控 制 栅 极阳 极围 绕 线 圈Stigmatoren光 阑电 磁 透 镜聚 焦 线 圈偏 转 线 圈 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术 6 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术 电 子 束 加 工 原 理 图 7控 制 栅 极加 速 阳 极电 子 束 斑 点 旁 热 阴 极聚 焦 系 统工 件工 作 台 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术一 、 电 子 束 加 工 的 原 理 和 特 点 8 1.加 工 原 理p 在 真 空 条 件 下

5、 ， 利 用 电 子 枪中 产 生 的 电 子 经 加 速 、 聚 焦 后 能量 密 度 为 106 109w/cm2的 极 细束 流 ， 高 速 冲 击 到 工 件 表 面 上 极小 的 部 位 ， 并 在 几 分 之 一 微 秒 时间 内 ， 其 能 量 大 部 分 转 换 为 热 能， 使 工 件 被 冲 击 部 位 的 材 料 达 到几 千 摄 氏 度 ， 致 使 材 料 局 部 熔 化或 蒸 发 ， 来 去 除 材 料 。p 控 制 电 子 束 能 量 密 度 的 大 小和 能 量 注 入 时 间 ， 就 可 以 达 到 不同 的 加 工 目 的 。 电子枪系统聚焦系统电子束 工件抽

6、真空系统电源及控制系统 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术2.电 子 束 加 工 特 点 9 1.电 子 束 能 够 极 其 微 细 地 聚 焦 (可 达 l 0.1 m)， 故 可 进 行微 细 加 工 。2.加 工 材 料 的 范 围 广 。 能 加 工 各 种 力 学 性 能 的 导 体 、 半 导体 和 非 导 体 材 料 。 非 接 触 加 工 ， 工 件 不 产 生 宏 观 应 力 和变 形 。3. 电 子 束 的 能 量 密 度 高 ， 加 工 效 率 很 高 。4.加 工 过 程 便 于 自 动 化 。 可 以 通 过 磁 场 或 电 场 对 电 子 束 的 强

7、度 、 位置 、 聚 焦 等 进 行 直 接 控 制 。5.加 工 在 真 空 中 进 行 ， 污 染 少 ， 加 工 表 面 不 易 被 氧 化 。6.设 备 投 资 高 。 电 子 束 加 工 需 要 整 套 的 专 用 设 备 和 真 空 系 统 ， 价 格 较 贵 ， 故 在 生 产 中 受 到 一 定 程 度 的 限 制 。 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术二 、 电 子 束 的 加 工 装 置 10 电 子 束 加 工 装 置 主 要 由 以下 几 部 分 组 成 。（ 1） 电 子 枪 。 获 得 电 子 束 的装 置 。 它 包 括 ：p电 子 发 射 阴 极

8、用 钨 或 钽 制成 ， 在 加 热 状 态 下 发 射 电 子 。p控 制 栅 极 既 控 制 电 子 束 的强 弱 ， 又 有 初 步 的 聚 焦 作 用 。p加 速 阳 极 通 常 接 地 ， 由 于阴 极 为 很 高 的 负 压 ， 所 以 能 驱使 电 子 加 速 。 图 6-2 电 子 束 加 工 装 置 示 意 图 1-工 作 台 系 统 ； 2-偏 转 线 圈 ； 3-电 磁 透 镜 ； 4-光 阑 ；5-加 速 阳 极 ； 6-发 射 电 子 的 阴 极 ； 7-控 制 栅 极 ；8-光 学 观 察 系 统 ； 9-带 窗 真 空 室 门 ； 10-工 件 哈 工 大 (威

9、海 ) 现 代 加 工 技 术二 、 电 子 束 的 加 工 装 置 11图 6-2 电 子 束 加 工 装 置 示 意 图1-工 作 台 系 统 ； 2-偏 转 线 圈 ； 3-电 磁 透 镜 ； 4-光 阑 ；5-加 速 阳 极 ； 6-发 射 电 子 的 阴 极 ； 7-控 制 栅 极 ；8-光 学 观 察 系 统 ； 9-带 窗 真 空 室 门 ； 10-工 件 （ 2） 真 空 系 统 保 证 电 子 加 工 时 所 需 要 的真 空 度 。 一 般 电 子 束 加 工 的 的真 空 度 维 持 在 1.33 10-2 1.33 10-4 Pa。（ 3） 控 制 系 统 和 电 源

10、。 控 制 系 统 包 括 束 流 聚 焦 控制 、 束 流 位 置 控 制 、 束 流 强 度控 制 以 及 工 作 台 位 移 控 制 。 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术控 制 系 统 和 电 源 12 束 流 聚 焦 控 制 ： 提 高 电 子 束 的 能 量 密 度 ， 它 决 定 加工 点 的 孔 径 或 缝 宽 。 聚 焦 方 法 ： 一 是 利 用 高 压 静 电 场 是 电 子 流 聚 焦 成 细束 ； 另 一 种 方 法 是 利 用 “ 电 磁 透 镜 ” 靠 磁 场 聚 焦 。束 流 位 置 控 制 ： 改 变 电 子 的 方 向 。工 作 台 位 移 控

11、 制 ： 加 工 时 控 制 工 作 台 的 位 置 。电 源 ： 对 电 压 的 稳 定 性 要 求 较 高 ， 常 用 稳 压 电 源 。 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术三 、 电 子 束 加 工 应 用 13 1-淬 火 硬 化 ；2-熔 炼 ；3-焊 接 ；4-打 孔 ；5-钻 、 切 削 ；6-刻 蚀 ；7-升 华 ；8-塑 料 聚 合 ；9-电 子 抗 蚀 剂 ；10-塑 料 打 孔 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术1.电 子 束 打 孔 14 电 子 束 打 到 材 料 表 面 电 子 束 贯 穿 材 料 电 子 束 打 到 辅 助材 料 产 生

12、 喷 射 电 子 束 打 到 材 料 内 部材料表面受到电子束冲击开始熔化，气化 材料气化形成气泡，破裂后随着蒸汽溢出，形成空穴电子束冲击到工 件下面的辅助材料，产生喷射，将空穴周围熔化材料吹出，完成打孔过程 继续受到电子束作用 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术1.电 子 束 打 孔 15 高 速 打 孔 高 速 打 孔 在 生 产 中 实 际 应 用 最 多 ， 目 前 最 小 直 径 可 达3m左 右 ， 最 大 深 径 比 可 达 10， 其 深 度 亦 可 达 10cm以 上 。1.生 产 效 率 高 。 机 翼 吸 附 屏 的 孔 、 喷 气 发 动 机 套 上 的

13、冷 却孔 ， 此 类 孔 数 量 巨 大 （ 高 达 数 百 万 ） ， 且 孔 径 微 小 ， 密 度连 续 分 布 而 孔 径 也 有 变 化 ， 非 常 适 合 电 子 束 打 孔 。 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术1.电 子 束 打 孔 16 p2.加 工 材 料 范 围 广 。 可 加 工 不 锈 钢 、 耐 热 钢 、 宝 石 、 陶 瓷 、玻 璃 、 塑 料 和 人 造 革 等 各 种 材 料 上 的 小 孔 、 深 孔 。p能 加 工 各 种 孔 ， 包 括 异 形 孔 、 斜 孔 、 锥 孔 和 弯 孔 。 孔 的密 度 可 连 续 变 化 ， 其 孔 径

14、大 小 可 随 时 调 整 。p加 工 质 量 好 ， 无 毛 刺 和 再 铸 层 等 缺 陷 。 精 度 ： 孔 径 误 差 在 5 以 内 。 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术绝 缘 行 业 ： 玻 璃 棉 挡 油 环 造 纸 和 纸 浆 行 业 ： 过 滤 器 发 动 机 : 散 热 孔 电 子 束 打 孔 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术2 加 工 型 孔 及 特 殊 表 面 18电 子 束 加 工 的 喷 丝 头 异 形 孔0.030.07 m m0.030.07 m m 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术电 子 束 加 工 弯 曲 的

15、孔 19 1 3 2 3 (a) (b) (c) (d) 1工件；2工件运动方向；3电子束加 工 弯 孔 ： 利 用 电子 束 在 磁 场 中 偏 转 的原 理 ， 使 电 子 束 在 工件 内 偏 转 方 向 。 控 制电 子 速 度 和 磁 场 强 度 ，就 可 控 制 曲 率 半 径 ，加 工 出 弯 曲 的 孔 。 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术3.电 子 束 切 割 20 可 对 各 种 材 料 进 行 切 割 ， 切 口 宽 度 仅 有 3 6m。利 用 电 子 束 再 配 合 工 件 的 相 对 运 动 ， 可 加 工 所 需 要 的 曲 面 。 电 子 束 加

16、 工 曲 面1 3 2 3(a) (b) (c) (d) 1工件；2工件运动方向；3电子束 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术电 子 束 加 工 样 品 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术4.电 子 束 刻 蚀 22 l利 用 电 子 束 的 热 加 工 原 理 ，对 工 件 进 行 类 似 铣 削 的 加 工 。l在 微 电 子 器 件 生 产 中 ， 为 了制 造 多 层 固 体 组 件 ， 可 利 用 电子 束 对 陶 瓷 或 半 导 体 材 料 刻 出许 多 微 细 沟 槽 和 孔 来 ， 如 在 硅片 上 刻 出 宽 2.5 m， 深 0.25 m的 细

17、槽 。 l电 子 束 刻 蚀 还 可 用 于 制 版 ，在 铜 制 印 刷 筒 上 按 色 调 深 浅 刻出 大 小 、 深 浅 不 一 的 沟 槽 或 凹坑 ， 大 坑 代 表 深 色 ， 小 坑 代 表浅 色 。 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术5.电 子 束 焊 接 23 利 用 电 子 束 作 为 热 源 的 焊 接 工 艺 。特 点 ： 电 子 束 焊 接 具 有 焊 缝 深 宽 比 大 ；焊 接 速 度 快 ， 焊 缝 深 而 窄 ， 焊 件 变 形 小 ；不 用 焊 条 ， 接 头 机 械 性 能 好 ；可 进 行 异 种 金 属 焊 接 ；可 在 精 加 工 后

18、 焊 接 等 等 。应 用 ： 应 用 范 围 极 为 广 泛 ， 尤 其 在 焊 接 大 型 铝 合 金 零 件 中 ，具 有 极 大 的 优 势 ， 并 且 可 用 于 不 同 金 属 之 间 的 连 接 。 如 美 国 和 日 本 采 用 电 子 束 焊 接 工 艺 加 工 发 电 厂 汽 轮 机 的定 子 部 件 ； 美 国 还 将 电 子 束 焊 接 工 艺 广 泛 应 用 于 飞 机 制 造 中 。 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术电 子 束 焊 接 的 实 例 图 片 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术6.电 子 束 表 面 处 理 25 电 子 束

19、 将 工 件 表 面 加 热 到 相 变 温 度 以 上 ， 再 快 速冷 却 ， 从 而 达 到 表 面 热 处 理 的 目 的 。特 点 ： A） 快 速 加 热 淬 火 ， 可 得 到 超 微 细 组 织 ， 提 高 材 料的 强 韧 性 ； B） 处 理 过 程 在 真 空 中 进 行 ， 减 少 了 氧 化 等 影 响 ，可 以 获 得 纯 净 的 表 面 强 化 层 ； C） 电 子 束 功 率 参 数 可 控 ， 可 以 控 制 材 料 表 面 改 性的 位 置 、 深 度 和 性 能 指 标 。 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术6.电 子 束 表 面 处 理 2

20、6 应 用 ： 表 面 淬 火 、 表 面 熔 凝 、 表 面 合 金 化 、 表 面 熔 覆和 制 造 表 面 非 晶 态 层 。 经 表 面 改 性 的 表 层 一 般 具 有 较高 的 硬 度 、 强 度 以 及 优 良 的 耐 腐 蚀 和 耐 磨 性 能 。 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术7.电 子 束 光 刻 27 p 先 利 用 低 功 率 密 度 的 电 子 束 照 射 电 致 抗 蚀 剂 的 高 分 子材 料 ， 由 于 入 射 电 子 与 高 分 子 相 碰 撞 ， 使 高 分 子 的 链 被 切断 或 重 新 聚 合 而 引 起 分 子 量 的 变 化 ，

21、 称 为 电 子 束 曝 光 。 如果 按 规 定 图 形 进 行 电 子 束 曝 光 ， 会 在 电 致 抗 蚀 剂 中 留 下 潜像 ；p 然 后 将 曝 光 后 的 潜 像 浸 入 适 当 的 溶 剂 中 ， 则 由 于 分 子量 不 同 而 溶 解 度 不 一 样 ， 就 会 使 潜 像 显 影 出 来 显 影 ；p 将 光 刻 与 离 子 束 刻 蚀 或 蒸 镀 工 艺 结 合 就 能 在 金 属 掩 模或 材 料 表 面 上 制 出 图 形 来 。p电 子 束 曝 光 可 以 获 得 比 可 见 光 曝 光 更 高 分 辨 率 的 图 像 。p电 子 束 可 达 到 最 佳 0.2

22、5m的 线 条 宽 度 可 见 光 波 长 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术电 子 束 曝 光 加 工 过 程 28图 6-7 电 子 束 曝 光 加 工 过 程A-电 子 束 曝 光 ； B-显 影 ； C-蒸 镀 ； D离 子 刻 蚀 ； E、 F-去 掉 抗 蚀 剂 ， 留 下 图 形1-电 子 束 ； 2-电 致 抗 蚀 剂 ； 3-基 板 ； 4-金 属 蒸 汽 ； 5-离 子 束 ； 6-金 属 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术离 子 束 4. 刻 蚀（ 形 成 沟 槽 ） 5. 沉 积（ 形 成 电 路 ） 6. 剥 膜（ 去 除 光 致 抗 蚀

23、剂 ）3. 显 影 、 烘 片（ 形 成 窗 口 ）窗 口2. 曝 光（ 投 影 或 扫 描 ） 掩 膜电 子 束图 24 电 子 束 光 刻 大 规 模 集 成 电 路 加 工 过 程1. 涂 胶（ 光 致 抗 蚀 剂 ）氧 化 膜 光 致 抗 蚀 剂基 片电 子 束 光 刻 大 规 模 集 成 电 路 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术电 子 束 刻 蚀 图 案 30 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术电 子 束 加 工 END 31 电 子 束 加 工 END 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术Automatische Strahlpositio

24、nierung.Elektronenstrahl- Prozesskontrolle Ablenk- Verstrker Verstrker Bild- verarbeitung NC-SteuerungXY-Tisch Ablenk- steuerung Abtastender Naht Positions-korrekturStufe 1 Stufe 2 Abtastender Nahtund Positions-korrektur 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术EB- Deflection TechnicsElektronenstrahl- Technologien O

25、ne Bath Technics Multi Pool TechnicsDynamic Multi Pool Technics Non Focus Flash Technics Field Technics Line Scan Multi Bath Technics 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术EB- Deflection Technics: Multi Process Technics Elektronenstrahl- Technologien EB-Hardening/EB-Annealling EB-Pre-heating/EB-Remelting EB-Pre-h

26、eating/EB-Welding/EB-Gladding EB-Positioning/EB-Welding/EB-After-heating 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术2-Kammerschleusenanlage zum EB- Schweien von Raumfahrtkomponenten.Elektronenstrahl- Anlagentechnik 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术EB-Umschmelzen (EBU) von Nockenwellen.Elektronenstrahl- Umschmelzen (EBU) 0 200

27、400 600 800 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2Abstand von Oberflche mm HV 0.3 0 GLS-250 EBUGLS-250 EBU+VW GJS-600 EBUGJS-600 EBU+VWEB-Umgeschmolzene NockenwellenEB-Umgeschmolzene Nockenmit Mehrbahntechnik 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术EB- Hrten von Nockenwellen.Elektronenstrahl- Hrten Nocken GGG 60, Schliffbild Material

28、: GGG 60 mod./cf 53 Ziel: Hrten der LaufflchenRht: 0,5 mmHrtewert: 50 HRCTaktzeit: 35 s bis 45 sEB-Anlage: 10 kW/60 kV 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术7.2 离 子 束 加 工 38 一 、 离 子 束 加 工 原 理 、 分 类 和 特 点二 、 离 子 束 加 工 装 置三 、 离 子 束 加 工 的 应 用离 子 束 加 工 8分 02.mp4 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术 39 在 真 空 条 件 下 ， 将 离 子源 产 生 的

29、离 子 束 经 过 加 速、 聚 焦 后 投 射 到 工 件 表 面。 由 于 离 子 带 正 电 荷 ， 其质 量 数 比 电 子 大 数 千 倍 甚至 上 万 倍 ， 它 撞 击 工 件 时具 有 很 大 撞 击 动 能 ， 通 过微 观 的 机 械 撞 击 作 用 从 而实 现 对 工 件 的 加 工 。离 子 束 加 工 的 物 理 基 础是 离 子 束 射 到 材 料 表 面 时所 发 生 的 撞 击 效 应 、 溅 射效 应 和 注 入 效 应 。1.离 子 束 加 工 的 原 理 和 物 理 基 础 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术40 p相 同 点 ： 加 工

30、原 理 基 本 相 同 。p不 同 点 ： 离 子 带 正 电 荷 ， 其 质 量 比 电 子 大 数 千 倍乃 至 数 万 倍 ， 故 在 电 场 中 加 速 较 慢 ， 但 一 旦 加 至 较高 速 度 ， 就 比 电 子 束 具 有 更 大 的 撞 击 动 能 。 电 子 束 加 工 是 靠 电 能 转 化 为 热 能 进 行 加 工 的 。 离 子 束 加 工 是 靠 电 能 转 化 为 动 能 进 行 加 工 的 。 离 子 束 加 工 与 电 子 束 加 工 的 比 较 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术2.离 子 束 加 工 分 类 41 按 所 利 用 的 物理

31、效 应 和 达 到 目 的的 不 同 ， 可 以 分 为四 类 ， 即 利 用 离 子撞 击 和 溅 射 效 应 的离 子 刻 蚀 、 离 子 溅射 沉 积 和 离 子 镀 ，以 及 利 用 注 入 效 应的 离 子 注 入 . 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术42 采 用 能 量 为 0.1 5keV、 直 径 为 十 分 之 几 纳 米 的 的 氩 离子 轰 击 工 件 表 面 时 ， 此 高 能 离 子 所 传 递 的 能 量 超 过 工 件 表面 原 子 （ 或 分 子 ） 间 键 合 力 时 ， 材 料 表 面 的 原 子 （ 或 分 子 ）被 逐 个 溅 射 出 来

32、 ， 以 达 到 加 工 目 的 。 这 种 加 工 本 质 上 属 于 一 种 原 子 尺 度 的 切 削 加 工 ， 通 常又 称 为 离 子 铣 削 。（ 1） 离 子 刻 蚀 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术样 品 可 用 于 加 工 空 气 轴 承 的 沟 槽 、 打 孔 、 加 工 极 薄 材 料 及超 高 精 度 非 球 面 透 镜 ， 还 可 用 于 刻 蚀 集 成 电 路 等 的 高 精 度图 形 。 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术 采 用 能 量 为 0.1 5keV的 氩 离 子 轰 击 某 种 材 料 制成 的 靶 材 ， 将 靶 材

33、原 子 击 出 并 令 其 沉 积 到 工 件 表 面上 并 形 成 一 层 薄 膜 。 实 际 上 此 法 为 一 种 镀 膜 工 艺 。（ 2） 离 子 溅 射 沉 积 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术 离 子 镀 也 称 离 子 溅 射 辅 助 沉 积 。 在 镀 膜 时 ， 用0.55kev的 氩 离 子 ， 同 时 轰 击 靶 材 和 工 件 表 面 ， 以 增强 膜 材 与 工 件 基 材 之 间 的 结 合 力 （ 可 达 10 20MPa） 。也 可 将 靶 材 高 温 蒸 发 ， 同 时 进 行 离 子 镀 。 该 方 法 适 应 性 强 、 膜 层 均 匀

34、致 密 、 韧 性 好 、 沉 积 速 度 快 ，目 前 已 获 得 广 泛 应 用 。 （ 3） 离 子 镀 膜 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术样 品 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术 用 5 500keV能 量 的 离 子 束 ， 直 接 轰 击 工 件 表 面 ， 由 于 离子 能 量 相 当 大 ， 可 使 离 子 钻 入 被 加 工 工 件 材 料 表 面 层 ， 改 变 其表 面 层 的 化 学 成 分 ， 从 而 改 变 工 件 表 面 层 的 机 械 物 理 性 能 。 p该 方 法 不 受 温 度 及 注 入 何 种 元 素 及 粒 量 限

35、制 ， 可 根 据 不 同 需 求 注 入 不同 离 子 （ 如 磷 、 氮 、 碳 等 ） 。p注 入 表 面 元 素 的 均 匀 性 好 ， 纯 度 高 ， 其 注 入 的 粒 量 及 深 度 可 控 制 ， 但设 备 费 用 大 、 成 本 高 、 生 产 率 较 低 。（ 4） 离 子 注 入 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术p加 工 精 度 高 。 离 子 束 加 工 是 目 前 最 精 密 、 最 微 细 的 加 工工 艺 ， 是 当 代 毫 微 米 级 加 工 技 术 的 基 础 。 离 子 束 轰 击 工 件 的材 料 时 ， 其 束 流 密 度 和 能 量 可

36、 以 精 确 控 制 。 离 子 刻 蚀 可 达 纳 米 级 精度 ， 离 子 镀 膜 可 控 制 在 亚 微 米 级 精 度 ， 离 子 注 入 的 深 度 和 浓 度 亦 可精 确 地 控 制 。p环 境 污 染 少 。 离 子 束 加 工 在 真 空 中 进 行 ， 特 别 适 宜 于 对 易 氧 化 的金 属 、 合 金 和 半 导 体 材 料 进 行 加 工 。p加 工 质 量 高 。 离 子 束 加 工 是 靠 离 子 轰 击 材 料 表 面 的 原 子来 实 现 的 ， 加 工 应 力 和 变 形 极 小 ， 适 宜 于 对 各 种 材 料 和低 刚 件 零 件 进 行 加 工

37、。 p离 子 束 加 工 设 备 费 用 贵 、 成 本 高 ， 加 工 效 率 低 ， 因 此 应用 范 围 受 到 一 定 限 制 。3.特 点 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术二 、 离 子 束 加 工 装 置 49 离 子 束 加 工 装 置 与 电 子 束 加 工 装 置 类 似 ， 包 括 离 子 源 、真 空 系 统 、 控 制 系 统 和 电 源 等 部 分 。 主 要 的 不 同 部 分 是 离 子源 系 统 。 离 子 源 (又 称 离 子 枪 )， 作 用 是 产 生 离 子 束 流 。 基 本 工 作 原理 是 将 气 态 原 子 注 入 离 子 室 ，

38、 然 后 使 气 体 原 子 经 受 高 频 放 电、 电 弧 放 电 、 等 离 子 体 放 电 或 电 子 轰 击 被 电 离 成 等 离 子 体 ，并 在 电 场 作 用 下 将 正 离 子 从 离 子 源 出 口 引 出 而 成 为 离 子 束 。根 据 离 子 产 生 的 方 式 和 用 途 离 子 源 有 多 种 型 式 。 常 用 的 有 考夫 曼 型 离 子 源 、 双 等 离 子 体 离 子 源 。离 子 束 加 工 8分 02.mp4 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术1.考 夫 曼 型 离 子 源 50 其 结 构 原 理 如 图 所 示 ， 由 热 阴极

39、灯 丝 发 射 电 子 ， 在 阳 极 的 吸引 力 下 向 下 方 的 阴 极 移 动 ， 同时 受 线 圈 磁 场 的 偏 转 作 用 ， 作螺 旋 运 动 前 进 。 惰 性 气 体 由 注入 口 进 入 电 离 室 ， 并 在 高 速 电子 的 撞 击 下 被 电 离 成 为 离 子 。阴 、 阳 极 上 各 有 几 百 个 直 径 为0.3mm的 小 孔 ， 上 下 位 置 严 格对 齐 。 在 引 出 电 极 的 作 用 下 ，将 离 子 吸 出 ， 形 成 几 百 条 离 子束 ， 均 匀 分 布 在 直 径 为 50300mm的 面 积 上 。 考 夫 曼 型 离 子 源 哈

40、工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术2.双 等 离 子 体 型 离 子 源 51 双 等 离 子 体 型 离 子 源 ， 是 利 用 阴极 和 阳 极 之 间 低 气 压 直 流 电 弧 放电 ， 将 惰 性 气 体 在 阳 极 小 孔 上 方的 低 真 空 中 等 离 子 体 化 。 中 间 电极 的 电 位 一 般 比 阳 极 的 低 ， 它 和阳 极 都 用 软 铁 制 成 ， 因 此 在 这 两个 电 极 之 间 形 成 很 强 的 轴 向 磁 场， 使 电 弧 放 电 局 限 在 其 中 间 ， 在阳 极 小 孔 附 近 产 生 强 聚 焦 高 密 度的 等 离 子 体 。

41、引 出 电 极 将 正 离 子导 向 阳 极 小 孔 以 下 的 高 真 空 区 ，再 通 过 静 电 透 镜 形 成 密 度 很 高 的离 子 束 去 轰 击 工 件 表 面 。 惰 性 气 体 入 口阴 极 中 间 电 极电 磁 线 圈阳 极 控 制 电 极绝 缘 子引 出 电 极离 子 束静 电 透 镜摆 动 装 置工 件 三 坐 标工 作 台 双 等 离 子 体 型 离 子 源 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术三 、 离 子 束 加 工 的 应 用 52 1.刻 蚀 加 工2.镀 膜 加 工3.离 子 注 入 加 工4.离 子 束 曝 光 哈 工 大 (威 海 ) 现

42、代 加 工 技 术 53 X 将 被 加 速 的 离 子 聚 焦 成 细束 ， 射 到 被 加 工 表 面 上 。 被加 工 表 面 受 “ 轰 击 ” 后 ， 打出 原 子 或 分 子 ， 实 现 分 子 级去 除 加 工 。 惰 性 气 体 入 口阴 极 中 间 电 极电 磁 线 圈阳 极 控 制 电 极绝 缘 子引 出 电 极离 子 束静 电 透 镜摆 动 装 置工 件 三 坐标 工作 台离 子 束 去 除 加 工 装 置X 加 工 装 置 如 图 示 。 三 坐 标工 作 台 可 实 现 三 坐 标 直 线 运动 ， 摆 动 装 置 可 实 现 绕 水 平轴 摆 动 和 绕 垂 直 轴

43、 转 动 。X 离 子 束 刻 蚀 加 工 可 用 于 非球 面 透 镜 成 形 ， 金 刚 石 刀 具和 冲 头 的 刃 磨 ， 大 规 模 集 成电 路 芯 片 刻 蚀 等 。1.刻 蚀 加 工 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术 54 刻 蚀 加 工 非 球 面 透 镜 离 子 束 加 工 非 球 面 透 镜 原 理1、 6回 转 轴 2、 4离 子 束3工 件 5摆 动 轴 加 工 原 理 如 图 所 示 。透 镜 加 工 时 ， 不 仅 绕 自 身轴 线 1、 6回 转 ， 而 且 还 要摆 动 一 个 角 度 ， 并 用 光 学干 涉 仪 对 加 工 表 面 形 状

44、进行 检 测 ， 用 电 子 计 算 机 控制 整 个 加 工 过 程 ， 现 已 加工 出 直 径 为 61cm的 抛 物 镜面 ， 其 精 度 是 其 他 加 工 方法 无 法 达 到 的 。 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术 55 刻 蚀 加 工 金 刚 石离 子 束 加 工 金 刚 石 压 头 和 刀 具离 子 束 离 子 束r = 0.01m预 加 工 终 加 工a) 压 头 r = 0.01m离 子 束 离 子 束预 加 工 终 加 工b) 刀 具 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术 56 蚀 刻 微 细 槽 线离 子 束 精 密 蚀 刻微 细 槽 线

45、 实 例a)动 压 马 达 止 推 板 上 的弯 槽 (材 料 钢 结 硬 质 合 金GT35)b)陀 螺 轴 上 的 斜 槽 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术 57 X 用 加 速 的 离 子 从 靶 材 上 打 出 原子 或 分 子 ， 并 将 这 些 原 子 或 分 子附 着 到 工 件 上 ， 形 成 “ 镀 膜 ” 。X 溅 射 镀 膜 可 镀 金 属 ， 也 可 镀 非金 属 。 由 于 溅 射 出 来 的 原 子 和 分子 有 相 当 大 的 动 能 ， 故 镀 膜 附 着力 极 强 （ 与 蒸 镀 、 电 镀 相 比 ） 。X 离 子 镀 氮 化 钛 ， 美 观

46、 耐 磨 。 应用 在 刀 具 上 可 提 高 寿 命 1-2倍 。 离 子 束 源靶溅 射 材 料 溅 射 粒 子工 件真 空离 子 束 溅 射 镀 膜 加 工2.镀 膜 加 工（ 1） 精 密 滚 珠 轴 承 采 用 离 子 镀 膜 后 ， 使 用 寿 命 延 长 到 数 千 小 时 ；（ 2） 刀 具 镀 以 几 微 米 厚 的 TiN、 TiC涂 层 后 ， 寿 命 提 高 310倍 ；（ 3） 在 钛 合 金 叶 片 上 沉 积 一 层 贵 金 属 （ Pt、 Au、 Rh 铑 等 ） 涂 层 ，可 使 疲 劳 强 度 增 加 30%， 抗 氧 化 与 耐 腐 蚀 能 力 也 大 大

47、 提 高 。 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术 58 离 子 镀 膜 空 心 阴 极 放 电 离 子 镀 装 置 示 意 图1-电 子 束 2-电 子 枪 3-空 心 阴 极4-基 板 台 5-基 板 6-蒸 发 物 用 空 心 阴 极 放 电 技术 ， 采 用 低 电 压 (几 十伏 )、 大 电 流 (100A左右 )的 电 子 束 射 入 坩 埚 ，加 热 蒸 镀 材 料 并 使 蒸发 原 子 电 离 ， 把 蒸 镀材 料 的 蒸 发 与 离 化 过程 结 合 起 来 ， 使 离 化率 高 达 22 40 。 是一 种 镀 膜 效 率 高 、 膜层 质 量 好 的 方 法

48、 。 目前 已 用 于 工 业 生 产 。 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术 59 X 用 高 能 离 子 （ 数 十 万 K eV） 轰 击 工 件 表 面 ， 离 子 打 入工 件 表 层 ， 其 电 荷 被 中 和 ， 并 留 在 工 件 中 （ 置 换 原 子 或填 隙 原 子 ） ， 从 而 改 变 工 件 材 料 和 性 质 。X 可 用 于 半 导 体 掺 杂 （ 在 单 晶 硅 内 注 入 磷 或 硼 等 杂 质 ，用 于 晶 体 管 、 集 成 电 路 、 太 阳 能 电 池 制 作 ） ， 金 属 材 料改 性 （ 提 高 刀 具 刃 口 硬 度 ） 等 方

49、 面 。3.离 子 注 入 加 工（ 1） 改 变 金 属 材 料 表 面 的 力 学 性 能 ， 如 提 高 硬 度 、 耐 磨 性和 抗 疲 劳 性 能 、 改 变 摩 擦 特 性 ；（ 2） 改 变 金 属 材 料 的 物 理 性 能 ， 如 电 性 能 、 超 导 性 能 、 光学 性 能 及 绝 缘 性 能 ；（ 3） 改 变 金 属 表 面 的 抗 腐 蚀 性 能 ， 如 抗 化 学 腐 蚀 和 抗 高 温氧 化 性 能 等 。 哈 工 大 (威 海 ) 现 代 加 工 技 术 60 X 用 在 大 规 模 集 成 电 路 制 作 中 ， 与 电 子束 相 比 有 更 高 的 灵 敏 度 和 分 辨 率 。4.离 子 束 曝 光 -离 子 束 光 刻