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电子束加工技术及应用

电子束加工是特种加工中的一个重要分支，它是利用电子束的高密度能量对材料进行各种加工。电子束加工不仅是对材料的尺寸和形状进行加工，它还包括焊接、表面改性、镀膜、热处理、熔炼以及光刻等工艺过程。
电子束加工原理
电子束流是由高压加速装置在真空条件下形成束斑极小的高能电子流, 属于高能密度束流真空电子束的功率密度大于10∧6 W /cm , 极限功率为300 kW。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, 其加工原理如图所示。

电子束加工装置：主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。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。

电子枪：是获得电子束的装置，它包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。其中阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向带高电位的正极，在飞向正极的过程中，经过加速，又通过电磁镜把电子束聚焦成很小的束流。发射阴极一般用纯钨或钽做成阴极。大大功率时用钽做成块状阴极。在电子束打孔装置中，电子枪阴极在工作过各中受到损耗，因此每过10～30 h就得进行定期更换。控制栅极为中间有孔的圆筒形，其上加以较阴极为负的偏压，既能控制电子束的的强弱，以有初步的聚集作用。加速阳极通常接地，而在阴极加以很高的负电压以驱使电子加速。

真空系统：是为了保证在电子束加工时达到1.33x10-2～1.33x10-4Pa的真空度。因为只有在高真空时，电子才能高速运动。为了消除加工时的金属蒸气影响电子发射，使其不稳定现象，需要不断地把加工中产生的金属蒸气抽去。它一般由机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两部分组成，先用机械旋转泵把真空室抽至1.4～0.14Pa的初步真空度，然后由油扩散泵或涡轮分子泵抽至0.014～0.00014的高真空度。

控制系统：是由束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作台位移的控制等组成。束流聚焦控制是为了提高电子束的的能量密度，使电子束聚焦成很小的束流，它基本上决定着加工点的孔径或缝宽。聚焦一种是利用高压静电场使电子流聚焦成细束；另一种比较可靠是利用“电磁透镜”靠磁场聚焦。

束流强度控制：是为了使电流得到更大的运动速度，常在阴极上加上50～150KV以上的负高压。加工时，为了避免热量扩散到不用加工的部位，常使用电子束间歇脉冲性地运动。工作台的移控制是为了在加式过程中控制工作台的位置。如果在大面积加工时有伺服电机控制工作台移动并与电子束的偏转相配合将减少像差和影响线性。

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
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。
电子由电子枪的阴极发出, 通过聚束极汇聚成电子束, 在电子枪的加速电场作用下, 电子的速度被提高到接近或达到光速的一半, 具有很高的动能。电子束再经过聚焦线圈和偏转线圈的作用, 汇聚成更细的束流。束斑的直径为数微米至1mm, 在特定应用环境, 束斑的直径甚至可以小到几十纳米, 其能量非常集中。电子束的功率密度可高达
10∧9 W /mm。
当电子束轰击材料时, 电子与金属碰撞失去动能, 大部分能量转化成热能, 使材料局部区域温度急剧上升并且熔化, 甚至气化而被去除, 从而实现对材料的加工。
电子束非热加工
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。
电子束曝光原理如图2所示, 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。

电子束加工的特点
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。
1)电子束表面改性
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。主要的改性手段有: 电子束表面合金化、电子束表面淬火、电子束表面熔覆、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。
2) 电子束物理气相沉积
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( TBC s)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, TBC s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: 这个应用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。
3) 电子束焊接
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。
4)电子束打孔
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、斜孔、锥孔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。
快速扫描电子束加工技术在国已经相当成熟，在航空航天、汽车、外医疗等方面的应用也越来越广泛。国内众多研究单位进行的一系列基础理论和应用研究为快速扫描电子束加工技术的发展奠定了基础，尤其是近几年随着控制技术的发展，快速扫描电子束加工技术在国内发展迅速，已经逐渐应用到工程实践中，进一步推动了国内精密制造技术的发展。

参考文献
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