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电子束加工技术
电子束加工技术
摘要电子束加工简称EBM,是以高能电子束流作为热源,对工件或材料实施特殊的加工,是一种完全不同于传统机械加工的新工艺。
它们在精密微细加工方面,尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。
随着科学技术的发展,电子束加工技术必将有一片广阔的应用前景。
关键词电子束原理应用发展前景
AbstractElectronbeamprocessingreferredtoEBM,highenergyelectronbeamisusedasaheatsource,orthematerialoftheworkpiecespecialprocessingembodiment,isacompletelydifferentfromthetraditionalmechanicalprocessingofnewtechnology.Theyprecisionmicrofabrication,inparticularinthefieldofmicroelectronicsapplicationsgetmore.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,electronbeamprocessingtechnologywillhaveabroadapplicationprospects.
Keywordselectronbeamheoryapplicationprospects
1前言
电子束加工是以高能电子束流作为热源,对工件或材料实施特殊的加工,是一种完全不同于传统机械加工的新工艺,其加工原理如图1所示。
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。
图1 电子束加工原理2.1 电子束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。
电子束加工包括焊接、打孔、热处理、表面加工、熔炼、镀膜、物理气相沉积、雕刻以及电子束曝光等,其中电子束焊接是发展最快、应用最广泛的一种电子束加工技术。
电子束加工的特点是功率密度大,能在瞬间将能量传给工件,而且电子束的能量和位置可以用电磁场精确和迅速地调节,实现计算机控制。
因此,电子束加工技术广泛应用于制造加工的许多领域,如航空、航天、电子、汽车、核工业等,是一种重要的加工方法。
2电子束加工原理
电子束是在真空条件下,利用聚焦后能量极高(106~109w/cm2)的电子束,以极高的速度冲击到工件表面极小面积上,在极短的时间(几分之一微妙)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,被真空系统抽走。
由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散射,因此,加工一般在真空中进行。
电子束加工机由产生电子束的电子枪、控制电子束的聚束线圈、使电子束扫描的偏转线圈、电源系统和放置工件的真空室,以及观察装置等部分组成。
先进的电子束加工机采用计算机数控装置,对加工条件和加工操作进行控制,以实现高精度的自动化加工。
电子束加工机的功率根据用途不同而有所不同,一般为几千瓦至几十千瓦。
3电子束加工装置组成
在许多工业领域中,电子束聚焦后能量密度极高(106~109w/cm2),并以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上,在极短的的时间(几分之一秒)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或气化。
电子束加工装置主要由电子枪、真空系统、控制系统及电源电源等部分组成。
了解电子束加工的结构是为了更好的的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,如果只使材料局部加热就可进行电子束热处理;使材料局部熔化可进行电子束焊接;提高电子束能量密度,使材料熔化和气化,就可进行打孔、切割等加工;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,进行电子光刻加工。
如:
电子束爆光可以用到电子束扫描,将聚焦到小于1um的电子束斑在大约0.5~5mm的范围,可爆光出任意图形;甚至可以在几毫米见方的硅片上安排十万个晶体管或类似的元件。
4电子束加工分类
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。
4.1电子束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。
4.2电子束化学加工电子束化学加工又称作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效应对材料进行加工。
该加工方法的应用的领域主要是
1)扫描电子束曝光,用电子束按所需的图形,以微机控制进行扫描曝光,其特点是图形变换的灵活性好,分辨率高;
2)投影电子束曝光,这是一种大面积曝光法,由光电阴极产生大面积平行束进行曝光,其特点是效率高,但分辨率较差;
3)软X射线曝光,软X射线由电子束产生,是一种间接利用电子束的投影曝光法。
电子束化学加工方法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。
5常用几种电子束加工技术的介绍
5.1多束流电子束加工
多束流电子束加工(MultibeamTechnology)是指采用2束以上的电子束对材料或结构进行处理和加工的一种方法。
多束流电子束可以由多个电子枪产生,也可以由1个电子枪通过电磁场的控制而产生。
电子束在不同的位置快速移动,由于移动的频率很高从而产生多束的效果。
本文所提到的多束流电子束都是指由1个电子枪通过电磁场控制而产生的多束。
电子束扫描技术早在20世纪70年代就已经用于消除电子束焊接缺陷,但是由于控制技术的限制,最近才开始用于多束流焊接和其他加工技术。
德国Steigerwald、PTR和Pro-beam等公司都进行过相关研究,主要是在束流偏转设备方面;Aachen大学的焊接研究所在这方面的研究也比较多,主要是在多束流的束流品质、能量分配及加工过程中热、力、冶金的相互作用方面。
英国焊接研究所的OliverNello等人设计和建立了可编程偏转系统,该系统具有使电子束在X、Y轴快速偏转并以相似的速度调节电子束焦点(Z轴)的能力,可用于电子束多束流焊接过程应力变形控制的研究。
在国内,北京航空制造工程研究所“十一五”期间在国家自然科学基金(多束流电子束加工的热效应)的基础上搭建了多束流技术试验平台,开展了多束流扫描控制技术的研究,并用于电子束焊接过程中应力和变形的动态控制,降低了试件的焊接残余应力,从而减小最终变形。
上海交通大学曾对扫描轨迹可控的电子束加工技术进行研究,初步实现了扫描方式的灵活控制,并尝试进行了一些相关的试验,但由于试验设备等条件的限制,比较侧重于理论方面的验证和控制平台的搭建,相应系统有待于进一步优化和完善,工程应用研究也有待于进一步的开展。
多束流电子束加工技术主要应用于多束流焊接技术,用于提高焊接效率,减少焊接变形,改善难熔易裂材料的焊接性、焊缝性能等。
多束流电子束的应用可以方便、迅速(通过电磁场非接触地控制几乎没有质量的电子运动)地调节电子束加工过程中的热量分布,从而对其力学过程和冶金过程进行动态控制,减小应力和变形,防止焊接过程中的热裂倾向,形成高质量的加工部件。
图4是德国Pro-beam公司采用3束电子束同时焊接齿轮的实例,结果表明与单束电子束焊接相比,此种方式可以明显减小齿轮焊接变形,而且大大提高了加工效率。
另外,多束流电子束加工技术还可用于异种材料的连接:
通过调节不同位置的停留时间,控制在不同区域的能量输入。
例如,接头一边的材料熔化,而另一边的材料仍处于加热状态(扩散焊),这样就可以实现固态不完全熔化的异种材料的有效连接。
可见,多束流电子束加工技术在多方面都有很大的应用潜力。
5.2电子束“毛化”技术
电子束“毛化”技术(ElectronBeamSurfi-sculpt)是英国焊接研究所(TWI)BruceDance等人近年来发明的一种新型电子束加工技术,它借助于电磁场对电子束的复杂扫描控制而在金属材料表面产生特殊的成形效果。
其基本过程是在真空环境中,通过快速响应偏转线圈和复杂信号控制程序精确控制电子束流,使其按照某种特定的方式、特定的规律、一定的速度和能量作用于材料表面,并在材料表面形成金属的微小熔池。
一旦材料开始形成熔池,电子束将通过磁场的扫描控制被迅速转移到其他位置,而熔化的液态金属在表面张力及金属蒸汽压力的共同作用下,向束流移动相反的方向流动,并在熔池后方快速冷却、凝固。
随着束流的重复扫描,熔池前端的金属被继续转移到熔池后端,经过不断的堆积、冷却、凝固,逐渐形成一定形状和大小的“凸起”(毛刺),产生表面“毛化”的效果,而在熔池前端形成很小的凹坑或者凹槽状的“刻蚀”。
自发明电子束“毛化”技术以来,英国焊接研究所在该领域开展了大量的研究工作,开发了成熟的电子束“毛化”设备,而且在工艺研究方面也取得了长足的进步。
通过控制电子束的工艺参数(包括电子束的加速电压、电流和聚焦),加上特殊的扫描波形,即可在不同的金属(如不锈钢、钛合金及铝合金等)上产生各种不同的表面,包括高宽比大的尖峰突起、蜂窝结构、无毛刺的孔穴、刀刃、通道、旋涡和网纹。
对任何纹理的结构,都可以通过改变尺寸、形状、入射角和特征分布来定制客户所需的表面。
目前已经成功制备尺寸从10um-20mm的毛刺。
图2是电子束毛化的几种表面形貌。
该技术不仅能够加工其他工艺无法实现的表面造型,而且在真空操作下可以避免表面污染。
在国内,有关电子束“毛化”技9术的研究刚刚起步,北京航空制造工程研究所在现有电子束焊接设备和电子束加工技术的基础上率先开展研究,通过分析电子束“毛化”技术的原理,设计了快速偏转扫描线圈,搭建了电子束扫描控制系统,实现了电子束“毛化”技术,并在不同的金属表面产生不同的毛化形貌,见图3。
英国焊接研究所正在研究将电子束“毛化”技术应用到金属与复合材料的连接技术上,将这种技术称为Comeld技术。
该技术先通过电子束“毛化”在金属表面上形成毛刺,预处理后将复合材料置于金属上,通过加温、加压共同固化,即可得到这种金属和复材连接的Comeld接头,如图5所示。
根据TWI的研究,这种Comeld接头比传统的同尺寸接头能承受更高的载荷,断裂前吸收的能量也远高于后者,而且可以通过优化毛刺的结构分布形式提高这种接头的韧性。
此项技术在未来飞机金属与复合材料连接领域有着重要的应用。
另外,电子束“毛化”技术还可以用在金属材料的表面改性如涂层制备上,如图6、图7所示。
这种表面处理技术
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