电子束加工技术及其应用

2008034121

电子束加工是在真空条件下,利用聚焦后能量密度极高(106～109W/cm2)的电子束,以极高的速 度冲击到工件表面极小的面积上,在很短的时间(几分之一微秒)内,其能量的大部分转变为热能,使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温,从而引起材料的局部熔化和气化,被真空系统抽走的加工技术。其加工原理如图1所示。

图1 电子束加工原理

1948年,德国物理学家K.H.Steigerwald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小于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了人们广泛重视。20世纪60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0.5μm。

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艺,经过多年的实践,在该领域也取得了一定成果。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。

按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。

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。

电子束非热加工是基于电子束的非热效应,利用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。

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。

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。

电子束表面改性是利用电子束的高能、高热特点对材料表面进行改性处理。由于电子

束加工技术在使用过程中可以较灵活地调节加热面积、加热区域以及材料表面的能量密度，电子束的能量利用率可以高达95%，并且电子束在材料表面的作用范围仅为0.01～0.2mm，因此，利用电子束对材料表层进行加热，可以达到所需温度或使材料熔化，从而实现对材料表面的改性，以满足材料表面的摩擦磨损、耐腐蚀和高温使用性能等要求。主要的改性手段有:电子束表面合金化、电子束表面淬火、电子束表面熔敷、电子束表面熔凝以及制造表面非晶态层。经过改性后的材料表面组织结构得到改善,强度和硬度得到大幅提高,耐腐蚀性和防水性也相应地得到增强。

图2 电子束表面改性技术分类图

电子束物理气相沉积(EB-PVD)是电子束技术与物理气相沉积技术的有机结合,是利用高能电子轰击沉积材料,使其迅速升温气化而凝聚在基体材料表面的一种表面加工工艺。根据沉积材料的性质,可以使涂层具有优良的隔热、耐磨、耐腐蚀和耐冲刷性能,对基体材料产生一定的保护作用。

该技术目前主要应用于以下几个方面：

1)耐磨涂层:选用硬度高的耐磨涂层材料沉积于工具和模具表面,可以大幅度提高工具和模具的使用寿命。

2)防腐涂层:由于EB-PVD技术制备出的涂层致密程度高,对于在腐蚀环境下工作的零件,其防腐效果非常好。除此之外, EB-PVD得到的涂层形貌良好,残余应力也明显地提高了基体材料的防腐性能。

3)热障涂层:热障涂层(TBCs)是由绝热性能良好的陶瓷材料构成,它沉积在耐高温金属或超合金表面,热障涂层对于基底材料起到隔热作用, 降低基底温度,使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片)能在高温下运行,并且可以使器件(发动机等)热效率达到60%以上。同时,TBCs还具有抗腐蚀和抗氧化的作用。

4)航空和航天发动机方面的应用:现在,EB-PVD工艺已经成功地将氧化物涂层和多层金属/陶瓷涂层,以较高的沉积速率应用于涡轮发动机等大型零件。由EB-PVD所制备的涂层可以提高其与基体的结合力,克服了传统喷涂工艺所带来的涂层组织结构不均匀、颗粒未熔化,以及孔隙与基体结合强度较差等缺陷,从而使零件的使用寿命大幅度提高。

5)制备微层材料:微层材料(纳米和微米多层材料)具有可设计性强的特点,可通过选择材料体系、设计多层结构、调整制备工艺以及主要工艺参数,对材料的基本性能进行控制,以获得满足各种不同用途的材料。EB-PVD可以蒸发多种高熔点的材料,还可以精确控制薄膜厚度和均匀性,并可利用该工艺制备不同层间距及层厚比的多层材料。

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108W/cm2,每个电子束脉冲打一个孔,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3 a、图3 b)、斜孔(见图3 c)、锥孔(见图3 d)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<0.1～<0.8mm,最大深度为5mm;在实验室中,加工直径为<0.05～<1.5mm,最大深度为10mm。

图 3 电子束加工几种典型孔的形状

电子束焊接技术是目前发展最快,应用最为广泛的电子束技术。电子束焊接技术是将高能电子束作为加工热源,用高能量密度的电子束轰击焊件接头处的金属,使其快速熔融,然后迅速冷却来达到焊接的目的。电子束焊接的特点:1)电子束焊接的能量密度高,可焊接一般电弧焊难以实现的焊缝;2)电子束焊接是在真空中进行,焊缝的化学成分稳定且纯净，接头强度高,焊缝质量高;3)电子束焊接速度快,热影响区小,焊接热变形小;4)电子束焊接适用于焊接几乎所有的金属材料;5)电子束焊接可获得深宽比大的焊缝(20:1～50:1),焊接厚件时可以不开坡口一次成形;6)电子束焊接结合计算机技术,实现了工艺参数的精确控制,使焊接过程完全自动化。

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非常广泛。随着电子束加工技术的不断发展,以及科技人员更深入的研究,电子束加工技术的应用领域也在不断拓宽,在工业应用中有着极为广阔的应用前景。

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