图6-9 考夫曼型离子源
1—真空抽气口 2—灯丝 3—惰性气体注入口 4—电磁线圈 5—离子束流 6—工件 7—阴极 8—引出电极 9—阳极 10—电离室
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
2、与电子束加工的比较
相同点：加工原理基本相同。 不同点：离子带正电荷，其质量比电子大数千倍乃至数
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
（3）离子镀膜 离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉
积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增强镀 层与基材之间的结合力（可达10～20MPa）。
该方法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快， 目前已获得广泛应用。
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
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。
第六章电子束和离子束加工
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（2）离子溅射沉积 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 。
第六章 电子束和离子束加工
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。
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LKJ系列离子束刻蚀系统
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第六章 电子束和离子束加工
离子注入 （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； （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。
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。
第六章电子束和离子束加工
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2、离子束加工的分类
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。分以下四类：
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。
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焊接
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（4）电子束光刻 利用低能量密度的电子束照射高分子材料时，将使材 料分子链被切断或重新组合，引起分子量的变化即产 生潜象，再将其浸入适当的溶剂中，由于分子量的不 同而溶解度不同，就会将潜象显影出来。 将光刻与粒子束刻蚀或蒸镀工艺结合，就可以在金属 掩模或材料表面指出图形来。
第六章 电子束和离子束加工
（5）电子束表面改性 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。
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电子束熔炼
电子束熔炼法发明于1907年﹐但直到50年代才用 于熔炼难熔金属﹐后来又用于熔炼活泼金属(如 Ti锭)和高级合金钢
第六章电子束和离子束 加工
2020/11/28
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
主要内容
6.1 电子束加工 6.2 离子束加工
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工 6.1 电子束加工
1、概述
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 一台电子束加工设备。
电子束加工原理
第六章电子束和离子束加工
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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。
（1）只使材料局部加热就可进行电子束热处理； （2）使材料局部熔化就可以进行电子束焊接； （3）提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化， 就可进行打孔、切割等加工； （4）利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料 时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。
第六章电子束和离子束加工
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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。
电子束表面改性技术分类
第六章电子束和离子束加工
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6.2 离子束加工
1、加工原理
在真空条件下，将 离子源产生的离子束经 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。
第六章电子束和离子束加工
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4、电子束加工的特点
电子束能够极其微细地聚焦(可达l～0.1 μm)，故可进 行微细加工。
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。
加工效率很高。 加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。 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。
第六章电子束和离子束加工
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5、电子束加工的应用
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
第六章电子束和离子束加工
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（1）电子束打孔 能加工各种孔，包括异形孔 、斜孔、锥孔和弯孔。 生产效率高。机翼吸附屏的孔、喷气发动机套上的冷却 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。 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。 加工质量好，无毛刺和再铸层等缺陷。 加工孔的最小直径可达0.003mm，最大深径比可达10。
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。
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
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。
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3、加工装置
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：
电子发射阴极—用钨或钽制成， 在加热状态下发射电子。
控制栅极—既控制电子束的强 弱，又有初步的聚焦作用。
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。
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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
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电子束刻蚀
第六章电子束和离子束加工
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。
第六章电子束和离子束加工
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4、应用
目前，离子束加工主要应用于刻蚀加工、镀膜加 工、注入加工。 离子刻蚀：制造激光器和红外传感器的高性能非球面 透镜和反光镜、光学系统中的衍射光栅、压电传感器 用晶片、陀螺转子轴承表面上的复杂结构、微型加速 计的精确质量块以及超精密加工用的单晶金刚石刀具。
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
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（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 1.33×102~ 1.33×10-4 Pa。
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（4）离子注入
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，可使离子钻进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。
该方法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求注入 不同离子（如磷、氮、碳等）。
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。
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
电子束加工的异形孔
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
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。
电子束加工弯曲的孔
第六章电子束和离子束加工
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离子镀和离子溅射镀膜 （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 3~10倍； （3）在钛合金叶片上沉积一层贵金属（Pt、Au、Rh等） 涂层，可使疲劳强度增加30%，抗氧化与耐腐蚀能力也 大大提高。