第一篇：航空航天特殊材料加工技術[推薦]

航空航天特殊材料加工技術

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電子束加工

摘要:電子束加工技術是近年發展起來的一種先進制造技術。由于它所具有的各種獨特的優點，已在眾多的工業領域得到了非常廣泛的應用，其在材料表面改性、機械加工等方面的應用已受到廣泛關注。主要介紹電子束在打孔、熔煉、顯微技術和焊接等方面的工業應用。

關鍵詞:電子束；加工原理；工業應用

1引言

近年來，許多國家對電子束加工原理及方法進行了大量的實驗研究，并在工業上得到一定的實際應用，使得該技術得到了飛速發展。本文主要針對電子束加工技術的發展、研究現狀和應用進行理論分析和探討。電子書技術在國內外的發展現狀

電子束技術是一種非接觸加工的高能束流加工技術。它利用經高壓靜電場和電磁場加速與會聚的高能量電子流作為熱源，對工件或材料實施各種特殊的加工。由于它具有能量密度極高、熱效率高、精密易控及多功能等等特點，在工業領域的各個行業得到了廣泛的應用，是高科技發展不可缺少的特種加工手段之一。

1948年，德國物理學家SteigerwaldK.H發明了第一臺電子束加工設備(主要用于焊接)。1949年，德國首次利用電子束在厚度為0.5mm的不銹鋼板上加工出直徑為0.2mm的小孔，從而開辟了電子束在材料加工領域的新天地。1957年法國原子能委員會薩克萊核子研究中心研制成功世界上第一臺用于生產的電子束焊接機,其優良的焊接質量引起人們廣泛重視。20世紀60年代初期，人們已經成功地將電子束打孔、銑切、焊接、鍍膜和熔煉等工藝技術應用到各工業部門中，促進了尖端技術的發展。微電子學的發展對集成電路元件的集成度要求不斷提高，因而對光刻工藝提出了更高的要求，掃描電子束曝光機研制成功。并在20世紀70年代進入市場，使得制造掩膜或器件所能達到的最小線寬已小于0.5μm。近年來，國外對電子束焊接及其他電子束加工技術的研究主要在于以下幾個方面： 1)完善超高能密度電熱源裝置； 2)掌握電子束品質及與材料的交換行為特性，改進加工工藝技術； 3)通過計算機CNC控制提高設備柔性以擴大應用領域。

我國自20世紀60年代初期開始研究電子束加工工藝,經過多年的實踐，在該領域也取得了一定成果。大連理工大學三束材料改性國家重點實驗室，采用電子束對材料表面進行照射，研究其對材料表面的改性。郝勝志等以純鋁材為基礎研究材料，深入研究不同參數的脈沖電子束轟擊處理對試樣顯微結構和力學性能的影響規律，進而獲得強流脈沖電子束表面改性的一些微觀物理機制，通過載能電子與固體表面的相互作用過程，建立較為合理的實際加工中的物理模型，利用二維模型數值計算方法模擬計算試樣中的動態溫度場及應力場分布，并選用1Cr18Ni9Ti和GCr15進行初步的改性應用嘗試性工作。吳愛民等以H13和D2模具鋼為基材，通過脈沖電子束直接淬火和電子束表面合金化等方法進行表面改性處理試驗。

雖然電子束加工目前已在儀器儀表、微電子、航空航天和化纖工業中得到應用，電子束打孔、切槽、焊接、電子束曝光和電子束熱處理等也都陸續進入生產，但從電子束加工技術現狀及新的發展趨勢可以看出，我國在該領域的研究與世界先進水平差距很大，今后的任務還很艱巨。電子束加工原理

電子束流是由高壓加速裝置在真空條件下形成束斑極小的高能電子流，屬于高能密度束流(HEDB)，真空電子束的功率密度大于10W /cm，極限功率為300 kW。電子束加工是以高能電子束流作為熱源，對工件或材料實施特殊的加工，是一種完全不同于傳統機械加工的新工藝，其加工原理如圖1所示。按照電子束加工所產生的效應，可以將其分為兩大類：電子束熱加工和電子束非熱加工。

3.1 電子束熱加工

電子束熱加工是將電子束的動能在材料表面轉化成熱能，以實現對材料的加工,其中包括： 1)電子束精微加工。可完成打孔、切縫和刻槽等工藝，這種設備一般都采用微機控制，并且常為一機多用； 2)電子束焊接。與其他電子束加工設備不同之處在于，除高真空電子束焊機之外，還有低真空、非真空和局部真空等類型； 3)電子束鍍膜。可蒸鍍金屬膜和介質膜；4)電子束熔煉。包括難熔金屬的精煉，合金材料的制造以及超純單晶體的拉制等； 5)電子束熱處理。包括金屬材料的局部熱處理以及對離子注入后半導體材料的退火等。上述各種電子束加工總稱為高能量密度電子束加工。

電子由電子槍的陰極發出，通過聚束極匯聚成電子束，在電子槍的加速電場作用下，電子的速度被提高到接近或達到光速的一半，具有很高的動能。電子束再經過聚焦線圈和偏轉線圈的作用，匯聚成更細的束流。束斑的直徑為數微米至?1mm，在特定應用環境，束斑的直徑甚至可以小到幾十納米，其能量非常集中。電子束的功率密度可高達10W /mm。當電子束轟擊材料時，電子與金屬碰撞失去動能，大部分能量轉化成熱能，使材料局部區域溫度急劇上升并且熔化，甚至氣化而被去除，從而實現對材料的加工。3.2 電子束非熱加工

電子束非熱加工是基于電子束的非熱效應，利用功率密度比較低的電子束和電子膠(又稱電子抗蝕劑，由高分子材料組成)相互作用產生的輻射化學或物理效應對材料進行加工。其應用領域主要是電子束曝光。電子束曝光原理如圖2所示，是先在待加工材料表面，涂上具有高分辨率和高靈敏度的化學抗腐蝕涂層，然后通過計算機控制電子束成像電鏡及偏轉系統，聚焦形成高能電子束流，轟擊涂有化學抗腐蝕涂層的材料表面，形成抗腐蝕劑圖形，最后通過離子注入、金屬沉淀等后續工藝將圖形轉移到材料表面。

電子束加工的特點

根據電子束流的產生原理，電子束加工具有如下特點： 1)電子束發射器發射的電子束流束斑極小，且可控，可以用于精密加工；2)對于各種不同的被處理材料，其效率可高達75% ~98%，而所需的功率則較低； 3)能量的發生和供應源可精確地靈活移動，并具有高的加工生產率； 4)可方便地控制能量束，實現加工自動化;；5)設備的使用具有高度靈活性，并可使用同一臺設備進行電子束焊接、表面改善處理和其他電子束加工； 6)電子束加工是在真空狀態下進行，對環境幾乎沒有污染;；7)電子束加工對設備和系統的真空度要求較高，使得電子束加工價格昂貴，一定程度上限制了其在生產中的應用。電子束加工在材料加工中的應用

由于電子束流具有以上特點，目前，已被廣泛地應用于高硬度、易氧化或韌性材料的微細小孔的打孔，復雜形狀的銑切,金屬材料的焊接、熔化和分割，表面淬硬、光刻和拋光，以及電子行業中的微型集成電路和超大規模集成電路等的精密微細加工中。隨著研究的不斷深入，電子束加工已成為高科技發展不可缺少的特種加工手段之一。5.1 電子束焊接

電子束焊接技術是一種利用電子束作為熱源的焊接工藝，它利用經高壓靜電場與電磁場加速與會聚的高能量密度電子束轟擊焊件表面，將電子的動能大部分轉變為熱能，使焊件接頭處的金屬熔融，達到焊接的目的。電子束焊接的工作原理見圖3。

圖3真空電子束焊機工作原理示意圖

電子束焊接有著無可置疑的優越性：(1)電子束能量高度集中，密度為10~10W/cm，約為普通電弧或氬

692弧的10～100萬倍。因此可以實現深而窄的焊縫型式，可將200～300mm厚的鋼材一次焊成，而用電弧焊則需堆焊150次以上。

(2)電子束焊接所需線能量小而焊接速度又高，因此焊件熱影響區小，焊件變形也就小，常可用于精加工后的焊接。焊縫的深寬比可達20∶1，采用高壓槍或特殊焊接工藝，深寬比可高達50∶1。

(3)電子束焊接一般不需加填料，焊接過程在真空中進行，當真空度為10-2Pa時，空氣中的剩余氣體(H2、O2等)含量小于0.132ppm，而一般高純惰性保護氣體的雜質含量為50ppm。因此電子束焊接的焊縫化學成份非常純凈，焊接的接頭強度高，常可高于母材的強度，焊縫質量是其它任何焊接所無法比擬的。

(4)電子束焊接可適用于幾乎所有的金屬材料，如普通碳鋼、不銹鋼、合金鋼、銅、鋁、難熔金屬及活潑金屬等。

(5)電子束焊接的工藝參數可精確控制，結合現代計算機技術，可實現復雜焊縫和變截面焊縫的焊接、焊縫自動跟蹤及焊接過程的自動化等。5.2 電子束熔煉

電子束熔煉主要用于材料的提純、真空澆鑄以及貴金屬的回收重熔，還可以用于制取半導體材料和難熔金屬及其合金的單晶等。

電子束熔煉也是利用高能量密度的電子束在轟擊金屬時產生高溫使金屬熔化。由于這一過程是在真空中進行，并且材料處于熔融狀態的時間可按需要控制，因此可以獲得較好的提純效果，容易獲得高純度的材料。這是電子束熔煉優于其它真空熔煉的一個重要特點。此外由于電子束能量密度高，能量調節方便,特別適用于熔煉難熔金屬。對于金屬鉭,經電子束一次熔煉后，總氣體含量可下降88%，經二次電子束熔煉后，總氣體含量可降低99%；對于金屬鈮，一次熔煉可使總氣體含量降低89%，二次熔煉可降低96.5%；對于金屬鎢，一次熔煉可使總氣體含量降低96%，二次熔煉降低99%。由此可見電子束熔煉的提純效果是十分顯著的，對于其它金屬材料如鉬、鎳基合金、高強鋼等,都有很好的提純效果。5.3 電子束打孔

用電子束對材料進行打孔加工時,要求電子束的能量密度需大于10W /cm,每個電子束脈沖打一個孔,脈沖寬度一般只有幾毫秒,脈沖的速率快,打孔的速度可以達到每秒幾個到3000個孔。電子束脈沖的能量高,不受材料硬度的限制,沒有磨損,可以對難熔、高強度和非導電材料進行打孔加工。并且電子束的束斑形狀可控,能加工包括異形孔(見圖4a、圖4b)、斜孔(見圖4c)、錐孔(見圖4d)和彎孔在內的各種孔,加工效率高,加工材料的適應范圍廣,加工精度高、質量好,無缺陷,一般不需要二次加工。目前,電子束打孔的范圍是:實際生產中,加工直徑為?0.1~?0.8mm,最大深度為5mm;在實驗室中,加工直徑為?0.05~?1.5mm,最大深度為10mm。28

圖4 電子束加工幾種典型孔的形狀

5.4 電子束顯微技術 現代微電子技術領域中，產品的設計和研究都需要對樣品的內部結構和表面形貌進行成像觀察，以及對樣品表面或界面的微觀結構和化學成分進行定性和定量分析。為此，人們利用電子束顯微技術研制了各種電子光學儀器，它利用電子束轟擊樣品材料，對產生的各種攜帶物理和化學信息的粒子經過接受、轉換和處理獲得關于樣品的物理結構和化學成分信息的信號，而達到材料微觀結構和化學成分的定性定量分析。

由于電子的波長很短,因此電子光學儀器的分辨率都比較高，如光學顯微鏡的放大倍數受衍射影響和限制，只能做到放大率≤2000，這對材料微觀結構的研究是不可能的；而電子顯微鏡的放大倍數已達80萬倍以上，可十分清晰地進行材料的微觀觀察與分析。

在大規模集成電路的研制和生產中，當采用電子束曝光、光刻時就可以不用掩模板，直接用電子束光刻圖形相當靈活，其分辨率可高達0.05μm，而用一般光學曝光方法的分辨率只能達到1μm左右。又如俄歇電子譜儀是一種對分析樣品非破壞性的分析儀器，能定性和定量地分析材料表面的化學成分，是一種性能優良的電子表面探針。電子束技術在工業中的應用并不限于本文所述，電子束技術在不斷的發展，其應用領域也在不斷拓寬，許多研究工作還在深入，電子束技術在工業中的應用存在巨大的潛力。結語

電子束加工屬于特種加工的一部分，其在工業生產中的應用還有很多，隨著電子束技術的不斷發展，以及科技人員更深入的研究，電子束技術的應用領域也在不斷拓寬，在工業中的應用前景值得期待。

參考文獻

[1] 劉春飛,張益坤.電子束焊接技術發展歷史、現狀及展望[J].航天制造技術, 2003(2).[2] 毛智勇,胡元枧,林世昌.電子束加工技術的發展[C].電氣技術發展綜述, 2004.[3] 張文峰,朱荻.電子束加工技術及其在表面工程中的應用[ J].新技術新工藝·材料與表面處理, 2003(8).[4] 陳元芳,鮮楊.電子束加工技術及其應用[J].現代制造工程,2009(8).[5] 宋宜梅,李少林,鐘慶華.電子書技術在工業領域的應用[J].廣西機械,2003(1).[6] 車琴香,黃錦文.電子束加工[J].機械制造, 1996(7).[7] 陳芙蓉,霍立興,張玉鳳.電子束焊接技術在工業中的應用與發展[J].電子工藝技術, 2002(2).

第二篇：航空航天特殊材料加工技術

航空航天特殊材料加工技術

——激光切割加工工藝在航空航天領域的應用

激光制造技術在國防和航空航天領域的產業化應用前景遠大，具有效率高、能耗低、流程短、性能好、數字化、智能化的特點，本文主要介紹了激光切割加工的組成、工作原理及各激光切割加工工藝技術在航空領域中的應用。針對現狀，我國將繼續發揮激光制造技術的優勢，改變我國航空航天領域的關鍵器件和技術主要依賴進口的現狀，最終形成我國新一代激光制造產業鏈。

激光切割加工的組成及工作原理

激光加工有四部分組成，分別是激光器、電源、光學系統、機械系統。工作原理 ：

激光加工利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化氣化而進行穿孔、切割和焊接等的特種加工。早期的激光加工由于功率較小，大多用于打小孔和微型焊接。到20世紀70年代，隨著大功率二氧化碳激光器、高重復頻率釔鋁石榴石激光器的出現，以及對激光切割加工機理和工藝的深入研究，激光加工技術有了很大進展，使用范圍隨之擴大。數千瓦的激光切割加工機已用于各種材料的高速切割、深熔焊接和材料熱處理等方面。各種專用的激光切割加工設備競相出現，并與光電跟蹤、計算機數字控制、工業機器人等技術相結合，大大提高了激光加工機的自動化水平和使用功能。

隨著激光制造技術的發展，橋梁、船舶等結構都由傳統的鉚接工藝發展到采用激光焊接技術，但先進的激光焊接技術難以在飛機制造中開展廣泛的應用。長久以來，飛機結構件之間的連接一直采用落后的鉚接工藝，主要原因是飛機結構采用的鋁合金材料是熱處理強化鋁合金（即高強鋁合金），一經熔焊后，熱處理強化效果就會喪失，而且晶間裂紋難以避免。因此，普通氬弧焊等熔焊方法在飛機制造中的應用成為禁區。另一方面，在80年代初，鋁及其合金的激光加工十分困難，被認為是不可能的。主要是由于鋁合金存在對10.6mm波長激光的高反射和自身的高導熱性。在當時，激光加工主要使用波長為10.6mm的CO2激光器，而鋁對CO2激光的反射率高達97%，通常作為反射鏡使用。但是，激光加工的優越性又極大地吸引著從事激光材料加工的科研工作者。他們為此付出了大量的時間和精力來研究鋁合金激光加工的可能性。

目前，高強鋁合金激光焊接成果已經成功應用于歐洲空中客車公司飛機制造中，其鋁合金內隔板均采用激光加工，實現了激光焊接取代傳統鉚接工藝。激光焊接技術的采用，大大地簡化了飛機機身的制造工藝，使機身重量減輕18%，成本下降21.4%~24.3%，被認為是飛機制造業的一次技術大革命。空客A380的制造就采用了激光焊接技術，極大地減輕了飛機自重，增加了載客量。德國政府2006年公布的科技發展計劃中將激光焊接技術列為航空工業兩大尖端發展技術之一。

在航空領域，航空發動機的備件價格很高，因而在很多情況下維修零件是比較劃算的。但是修復后零件的質量必須滿足安全要求。例如，飛機螺旋槳葉片表面上出現損傷時，必須通過一些表面處理技術進行修復。除了考慮螺旋槳葉片所要求的高強度、高耐疲勞性，還必須考慮表面修復后的耐腐蝕性。選擇一種合適的表面處理技術對螺旋槳葉片進行修復，對節省裝備維護費用，提高裝備使用壽命具有很重要的意義。

第三篇：航空航天焊接技術要求有哪些？

航空航天焊接技術要求有哪些？

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焊接技術要求是實現各種材料構件連接的重要途徑和手段，也是實現飛行器的整體、輕質、高效目標的必由之路。作為航空航天領域的關鍵連接技術，為更好地滿足國防工業發展的需要，全方位地了解先進特種焊接技術及設備在航空航天領域的應用現狀和需求。航空航天焊接技術要求主要有以下幾點:

1、攪拌摩擦焊接技術要求： 攪拌摩擦焊接技術是近年來國際上發展較快的技術之一，具有對被焊材料損傷小、焊接變形低、焊縫強度高和綠色制造特點，被譽為“當代最具革命性的焊接技術要求”。由于其在制造成本、焊接質童以及節能環保等方面具有許多獨特的優勢，近年來，攪拌摩擦焊接技術和設備已在世界范圍內得到廣泛而深入的研究。攪拌摩擦焊在航空航天業的應用主要包括以下幾個方面:機翼、機身、尾翼;飛機油箱;飛機外掛燃料箱;運載火箭、航天飛機的低溫燃料筒;軍用和科學研究火箭和導彈;熔焊結構件的修理等。近年來，盡管我國攪拌摩擦焊接技術要求取得了較大的發展，但與國外相比，我國在基礎研究、設備研制及生產應用方面還存在一定差距，生產應用中涉及被焊材料范圍小、所測接頭性能數據少，而且缺乏統一的焊接質量檢驗標準。當務之急應是引人競爭機制，集全國之力，產學研結合，重視基礎理論研究，提高設備制造水平，建立統一的焊接質量檢驗標準，以期降低生產應用成本，加速攪拌摩擦焊接技術以及薄板焊接在我國的工程應用。

第四篇：先進加工技術

工程訓練報告

先進加工技術----3D打印

學院：機械與汽車工程學院

班級：機械13--4 姓名：姜暉

學號：201301011215

先進加工技術--------3D打印

眾所周知，傳統的打印技術及其所配套的打印設備只能進行簡單或者稍微復雜的二維平面打印。然而，隨著時代的發展，特別是對于加工效率，加工精度的要求日益增長的情況下，傳統的二維打印越來越力不從心，在一次次高科技革命的推動下，3D打印應運而生。

3D打印，也稱為3D立體打印技術，即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。

3D打印技術最早出現于20世紀90年代，是利用光固化和紙層疊等技術的最新快速成型裝置。原理方面與傳統的二維打印機相同，打印盒內裝有粉末等打印材料與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物的一種快速成型技術。

相對于傳統打印機，3D打印機所用原理基本相同，但是所用的原料并不相同，傳統打印機所用的材料是墨粉和各種紙張，而3D打印機內裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料，當打印機與電腦連接后，在電腦進行控制下，按照設計人員設定的三維立體模型，將原材料一層一層疊加起來，將計算機的立體模型變為一個實實在在的立體產品。

3D打印存在著許多不同的技術。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構建創建部件。3D打印常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料。

介紹了3D打印技術，就不得不介紹3D打印的工作過程.3D打印最重要的一個過程就是設計過程，3D打印的設計過程是：先通過計算機建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，即切片，從而指導打印機逐層打印。

其次便是相切面包一樣，對模型進行切片處理：打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。這種技術的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

打印機打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機如ObjetConnex 系列還有三維 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個微米。用傳統方法制造出一個模型通常需要數小時到數天，根據模型的尺寸以及復雜程度而定。而用三維打印的技術則可以將時間縮短為數個小時，當然其是由打印機的性能以及模型的尺寸和復雜程度而定的。

傳統的制造技術如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產品，而三維打印技術則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產數量相對較少的產品。一個桌面尺寸的三維打印機就可以滿足設計者或概念開發小組制造模型的需要。

完成以上步驟后，便只剩下完成打印了：三維打印機的分辨率對大多數應用來說已經足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方法：先用當前的三維打印機打出稍大一點的物體，再稍微經過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技術可以同時使用多種材料進行打印。有些技術在打印的過程中還會用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。

現行的3D打印有多種成型方法，每項各有利弊：

電子束是3D金屬打印成型最快方法電子束快速成型技術目前還有一些技術難點尚待進一步研究，比如成型過程中廢熱高，金屬構件中金相結構控制較為困難，特別是成型時間長，先凝固的部分經受的高溫時間長，對金屬晶態成長控制困難，進而引起大尺度構件應力復雜等等。

電子束成型對復雜腔體，扭轉體，薄壁腔體等成型效果不佳，他的成形點陣精度在毫米級，所以成型以后仍然需要傳統的精密機械加工，也需要傳統的熱處理，甚至鍛造等等。

但電子束快速成型速度快，是目前3D金屬打印類打印速度最快的，可達15KG／小時，設備工業化成熟度高，基本可由貨架產品組合，生產線構建成本低，具有很強的工業普及基礎，同時，電子束快速成型設備同時還能具有一定的焊接能力和金屬構件表面修復能力，應用前景廣泛。在發動機領域，目前美國和中國在電子束控制單晶金屬近凈形成型技術方面正積極研究，一旦獲得突破，傳統的單晶渦輪葉片生產困難和生產成本高的問題將獲得極大的改善，從而大大提高航空發動機的性能，并對發動機研制改進等提供了極大的助力。

由于電子束成形精度受到電子束聚焦和掃描控制能力的限制，激光作為更高精度的能量介質引起高度重視，激光成形技術幾乎是和電子束成形技術同步起步發展，但是，由于穩定的10KW以上級的大功率激光器到2008年才開始逐步工業化，所以激光成形技術在最近才出現噴涌的盛況。

激光數字成型技術主要有兩個類別，一是激光近凈成形制造（LENS）、金屬直接沉積（DMD），這個類別的技術和電子束快速成型類似，也是利用控制掃描區域形成控制的熔融區，用金屬絲或金屬粉同步掃描點添加，金屬熔融沉積，這項技術算電子束快速成型的高精度的進化成果，激光的掃描點陣精度可以比電子束高一個數量級，可以得到更高精度的零件，從而進一步減少材料的耗量和機械加工的需求，同時它還能保留電子束快速成型的打印速度快的優勢。

這類區域熔融的技術需要大尺度的腔體提供零件加工所需的真空環境，這限制了加工零件的尺寸，激光熔融區的大小和功率直接相關，越大形的構件加工能力要求越高，由于電子束對金屬的熱效應深度比較大，而激光熱效應深度較小，激光成形時胚體受熱和散熱狀況要好于電子束，因此它能形成很薄的熔化區和更細密均勻的沉積構造，凝固過程中的金相結構更容易控制，熱應力復雜度要低很多，可以制造更精確的形狀和更復雜零件，也能制造較薄壁的零件類型。美DRAPA，洛克希德先進制造技術中心，和飛利浦、賓州大學等于2013年演示的先進制造

DM概念，就是基于這類技術基礎。

激光3D打印幾乎可直接加工出工業零件

目前主流的激光打印機是利用硒鼓靜電吸附墨粉，激光掃描熔融墨粉形成圖像的，這種打印方式精度可達300PPI，利用激光打印和粉末冶金技術結合，新一代的最有希望的最精密成型的技術是以直接金屬激光燒結（Direct metal laser sintering，DMLS）和選區激光（selective laser sintering，SLS）為代表的激光精密數字成形。這兩者都是在基底鋪設金屬粉末，由激光掃瞄燒結，所不同的是，直接燒結是邊鋪粉邊燒，而選區燒結是先鋪整層粉末，然后激光掃描燒結，這種燒結每次沉積厚度約20－100微米，通過反復多次的沉積最終獲得三維立體的零件。

激光精密成形的優點是精度高，成形點陣可以小于0.01毫米，可以得到近似平滑的表面，能夠處理空腔，薄壁等復雜空間扭轉體，和相互交叉穿透的復雜空腔和管路，幾乎可以加工出直接應用的工業零件。

激光3D打印零件強度略小于鍛造機加件

高精度激光燒結對激光的功率要求中等，燒結點溫度雖然高，但是點陣小，每點陣金屬熔融凝固量很少，全過程熱釋放低，材料胚體溫度接近常溫區，較少形成復雜的熱應力情況，金屬凝固形成的金相較為均勻細密，大多為細小的晶格態，類似于經過鍛造的金屬構件，獲得金屬零件強度略小于鍛造機加件。

美國德州大學奧斯汀分院最早于1986年提出SLS的專利，由DTM公司提供商用設備，美國麻省理工1988年提出DMLS的概念和專利，但目前商用化設備主要的供應商都來源于歐洲，德國EOS略占優勢，MTT 公司和 Concept Laser 公司也具有很強的競爭力。中國于1998年以后開始開展SLS方面的研究，2000年以后，隨著商品化光纖激光器的成熟，國內在SLS方面取得一定成果，2004年起，有至少3家公司和單位提出SLS技術應用化的專利，在航空領域因材料強度方面的問題，早期的應用主要在快速建立冶金應用模具方面。

作為一種主流的高新技術，3D打印有著非常廣闊的應用領域：軍工，航天，醫學，甚至于建筑行業，均存在著3D打印技術的影子.3D打印技術目前在全球也是前沿技術和前沿應用，最尖端的航空工業對這種技術最為關注也最嚴謹，美國90年代中期就獲得這類技術的工業嘗試，但是他們一直稱為近凈成型加工技術，F－22,F－35都有應用，不過因為一些加工工藝等原因，美國也沒有能大規模應用，但美國將這一技術一直作為先進制造技術而由美國國防高級研究計劃局（DRAPA）牽頭，組織美國30多家企業對這一技術長期研究。

美國如此重視，我國自然也不甘落后。最近幾年，中國航空工業捷報頻傳，先進戰斗機殲-20，殲-31，艦載機殲-15，運輸機運-20一大批高新機不斷誕生，接踵而出，最為引人關注的是，在2013年全球3D打印熱潮中，以北航和西工大兩個科研主體帶動，沈飛、成飛、西飛等數家航空制造企業為主體，成為全球第二個能夠在實際應用中利用3D打印技術制造飛機零件的國家。

與其他的高新技術一樣，3D打印技術也有著自身的缺點和不足之處。

3D打印零件強度還難以作為飛機受力構件

3D打印概念的出現是一種制造工業領域革命性的新技術，目前的諸多成形手段和方法都有各自的具體優點和缺陷，在航空領域，選擇燒結SLS技術看起來潛力最大，應用前景最廣泛，它的材料適應范圍最廣，從鋁合金、鈦合金、高強度鋼、高溫合金到陶瓷都能處理，但是它屬于微觀粉末冶金的范疇，快速成形中，粉末冶金技術中因熔融——凝固過程過快，成形體中容易夾雜空穴，未完全熔融的粉末，胚體缺陷還有可能包括激光掃描線方向形成的熔融——凝固不均勻金相微觀線狀晶格排列，這些都會嚴重影響了成形件的強度。

目前激光選區成形的構件大多都只能達到同牌號金屬鑄造的強度水平，雖然這已經能讓構件進入正常的應用領域，但顯然要承擔象飛機這樣的主要結構受力構件還是有很大限制的。

3D金屬打印零件表面還需進一步機械加工直接金屬激光燒結DMLS技術因為直接用激光熔融金屬絲沉積，金屬本身是致密體重熔，不易產生粉末冶金那樣的成形時的空穴，這個技術生產的構件致密度可達99％以上，接近鍛造的材料胚體，目前國際國內都主要利用這種技術制造高受力構件，它能達到同牌號金屬最 高強度的90～95％左右的水平，接近一般鍛造構件。

目前的金屬3D打印構件都不能直接形成符合要求的零件表面，它都必須經過表面的機械加工，去除表面多余的，不連續的，不光滑的金屬，才能作為最終使用的零件，因此，盡管3D打印可以獲得復雜的空間結構和一些復雜的管路和腔體，但是這些管路和腔體的機械加工很有可能無法進行，其零件的重量效率，管路流動效率等方面不一定能夠滿足實際需求，因此，盡管3D打印可能能一步直接完成很多復雜零件的成形，但其還不具備直接取代傳統機械加工的能力。

3D打印對飛機大型構件制造還存在問題

直接成形的金屬零件在生產過程中因為反復經受局部接近熔點溫度受熱，內部熱應力狀態復雜，在成形某些大型細長體，薄壁體金屬構件時，應力處理和控制還不能滿足要求，實際上到目前為止一直影響3D打印在航空業的應用也正是因為這個原因。

美國從1992年開始就不斷利用這類技術希望能夠直接生產飛機用的大型框架，粱絎，整體壁板等，正是因為應力復雜，大型構件成形過程中或成形后會產生嚴重變形，嚴重到無法使用。所以3D打印技術盡管很早就出現了，但國外航空工業界還持有相當的保守態度也是有原因的。激光3D打印工業化面臨精細度難題目前激光成形技術面臨工業化的兩個方向相互間有矛盾，一是打印精細度，目前的打印精細度SLS最高，基本在1～0.1毫米左右，而其他技術加工生成的零件表面精度則在0.8～5毫米之間，目前市場銷售的2D激光打印機點陣精度在1200DPI左右即0.02毫米，這個精度可以獲得近似光滑的曲面，提高精度受到打印耗材粉末的粒徑粗細和激光熔融金屬液態滴狀表面張力影響，要把精度提高到0.1毫米以下還有很大困難，不過鋪粉預處理、激光超快速融化——凝固等技術的出現會為提高激光成形的精度有很大幫助。

激光3D打印工業化面臨打印速度難題另一個發展方向則是提高打印速度，目前激光打印的速度還是較慢的，每小時印重量大多都在1公斤以下，最好水平也只有9公斤／小時左右，要實現工業化生產，特別是大規模化生產，這個速度是不夠的，現在的激光成形基本還是單光頭單層鋪粉作業，未來為了提高打印速度和應對超大型構件打印，已經有多光頭多層鋪粉同步打印的設計出現。

激光成形目前尚屬于單一技術應用，但是在工業界，激光沖擊強化在冶金方面應用已經有10幾年的歷史了，激光打印成形實際上很有希望能夠直接集成激光沖擊強化，激光淬火等技術，它能讓激光成形的構件更加致密，且具有高級別的強度，實際上激光3D打印機都能簡單的通過軟件控制來實現激光沖擊強化的功能。

現在3D打印技術還只是露出第一縷曙光

新的制造方法需要新的一系列處理工藝配合，3D打印目前只能算一絲曙光，真正達到大規模應用產生效益，還需要很長的時間發展和積累。

3D打印技術的出現是信息革命在攻克傳統工業的最后堡壘的終結的沖鋒號，因而引發了一系列的科學技術領域研究的新課題，激光粉末冶金，微沉積金相學，微觀淬火、鍛造，激光沖擊強化等一系列機械制造，冶金等領域的課題將會讓已經暮氣沉沉的傳統冶金科學，和制造科學領域重新充滿發展的動力，在未來的數十年間，誰在這些技術領域獲得應用化的實際成果，可能會影響和顛覆現有的制造工業的基本面貌,未來可謂潛力無限。

第五篇：納米加工技術

納米加工技術及其應用

江蘇科技大學機械學院

學號：139020021

姓名：原旭全

納米尺度的研究作為一門技術,是80年代剛剛興起的.它所研究的對象是一般研究機構很難涉獵的即非宏觀又非微觀的中間領域,有人稱之為介觀領域.所謂納米技術通常指納米級(0.1nm~l00nm)的材料、設計、制造、測量、控制和產品的技術.納米技術主要包括納米級精度和表面形貌的測量;納米級表層物理、化學、機械性能的檢測;納米級精度的加工和納米級表層的加工一一原子和分子的去除、搬遷和重組;納米材料;納米級微傳感器和控制技術;微型和超微型機械;微型和超微型機電系統;納米生物學等;納米加工技術是納米技術的一個組成部分.納米加工的含義是達到納米級精度(包括納米級尺寸精度,納米級形位精度和納米級表面質量)的加工技術.其原理使用極尖的探針對被測表面掃描(探針和被側表面不接觸),借助納米級的三維位移控制系統測量該表面的三維微觀立體形貌.材料制造技術.著名的諾貝爾獎獲得者Feyneman在20世紀60年代曾預言:如果我們對物體微小規模上的排列加以某種控制的話,我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性,就會看到材料的性能產生豐富的變化.他說的材料即現在的納米材料.納米材料是由納米級的超微粒子經壓實和燒結而成的.它的微粒尺寸大于原子簇,小于通常的微粒,一般為l一100nm.它包括體積份數近似相等的兩部分:一是直徑為幾個或幾十個納米的粒子;二是粒子間的界面.納米材料的兩個重要特征是納米晶粒和由此產生的高濃度晶界.這導致材料的力學性能、磁性、介電性、超導性、光學乃至熱力學性能的改變.如:納米陶瓷由脆性變為100%的延展性,甚至出現超塑性.納米金屬居然有導體變成絕緣體.金屬納米粒子摻雜到化纖制品或紙張中,可大大降低靜電作用.納米Tiq按一定比例加入到化妝品中,可有效遮蔽紫外線.當前納米材料制造方法主要有:氣相法、液相法、放電爆炸法、機械法等.l)氣相法:1熱分解法:金屬撥基化合物在惰性介質(N2或潔凈油)中熱分解,或在H沖激光分解.此方法粒度易控制,適于大規模生產.現在用于Ni、Fe、W、M。等金屬,最細顆粒可達3一10nm.o真空

蒸發法:金屬在真空中加熱蒸發后沉積于一轉動圓的流動油面上;可用真空蒸餾使顆粒濃縮.此法平均顆粒度小于10nm.2)液相法:1沉積法:采用各種可溶性的化合物經混合,反應生成不溶解的氫氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽或有機鹽等沉淀.把過濾后的沉淀物熱分解獲得高強超純細粉.采用此工藝制備出均質的玻璃和陶瓷.由于該法可制備超細(10nm一100nm)、化學組成及形貌均勻的多種單一或復合氧化物粉料.已成為一種重要的超細粉的制備方法.3)放電爆炸法:金屬細絲在充滿惰性氣體的圓筒內瞬間通人大電流而爆炸.此法可制造Mo.W等難熔金屬的超細顆粒(25一350nm),但不能連續操作.4)機械法:利用單質粉末在攪拌球磨(AttritorMill)過程中顆粒與顆粒間和顆粒與球之間的強烈、頻繁的碰撞粉碎.近幾年大量采用攪拌磨,即利用被攪拌棍攪拌的研磨介質之間的研磨,將粉料粉碎粉碎效率比球磨機或振動磨都高.(3)三束加工技術:可用于刻蝕、打孔、切割、焊接、表面處理等.l)電子束加工技術:電子束加工時,被加速的電子將其能量轉化成熱能,以便除去穿透層表面的原子,因此不易得到高精度.但電子束可以聚焦成很小的束斑(巾0.1林m)照射敏感材料.用電子刻蝕,可加工出0.1林m線條寬度.而在制造集成電路中實際應用.2)離子束加工技術:因離子直徑為0.Inm數量級.故可直接將工件表面的原子碰撞出去達到加工的目的.用聚焦的離子束進行刻蝕,可得到精確的形狀和納米級的線條寬度.3)激光束加工技術:激光束中的粒子是光子,光子雖沒有靜止質量,但有較高的能量密度.激光束加工常用YAG激光器認封.06林m)和Cq激光器位一10.63林m).激光束加工不是用光能直接撞擊去掉表面原子,而是光能使材料熔化、汽化后去掉原子.(4)LIGA(Lithographie,Galvanoforming,Abforming)技術.這是最新發展的光刻、電鑄和模鑄的復合微細加工技術.它采用深度同步輻射X射線光刻,可以制造最大高度為1000林m、高寬比為200的立體結構,加工精度可達0.1林m.刻出的圖形側壁陡峭,表面

光滑.加工微型器件可批量復制,加工成本低.目前,在LIGA工藝中再加入犧牲層的方法,使加工出的微器件一部分可脫離母體而能轉動或移動.這在制造微型電動機或其他驅動器時極為有用.LIGA技術對微型機械是非常有用的工藝方法.1與常規精加工的比較

納米級加工中.工件表面的原子和分子是直接加工的對象.即需切斷原子間的結合.納米加工實際已到了加工的極限.而常規的精加工欲控制切斷原子間的結合是無能為力的,其局限性在于: l)高精度加工工件時,切削量應盡量小而常規的切削和磨削加工,要達到納米級切除量,切削刀具的刀刃鈍圓半徑必須是納米級,研磨磨料也必須是超細微粉.目前對納米級刃口半徑還無法直接測量.2)工藝系統的誤差復映到工件,工藝系統的受力/熱變形、振動、工件裝夾等都將影響工件精度.3)即使檢測手段和補償原理正確,加工誤差的補償也是有限的.4)加工過程中存在不穩定因素.如切削熱,環境變化及振動等.由此可見.傳統的切削/磨削方法,一方面由于加工方法的局限或由于加工機床精度所限,顯示出在納米加工領域應用裕度不足.另一方面,由于科技產業迅猛發展,加工技術的極限不斷受到挑戰.有研究表明,磨削可獲得o.35nm的表面粗糙度,但對如何實現穩定、可靠的納米機加工以及觀察研究材料微加工過程力學性能則始終受到實驗手段的限制.因此納米機加工必須尋求新的途徑即直接用光子、電子、離子等基本粒子進行加工.例如,用電子束光刻加工超大規模集成電路.2.微納米加工技術的分類

自人類發明工具以來,加工是人類生產活動的主要內容之一.所謂加工是運用各種工具將原材料改造成為具有某種用途的形狀.一提到加工,人們自然會聯想到機械加工.機械加工是將某種原材料經過切削或模壓形成最基本的部件,然后將多個基本部件裝配成一個復雜的系統.某些機械加工也可以稱為微納米加工.因為就其加工精度而言,某些現代磨削或拋光加工的精度可以達到微米或納米量級.但本文所討論的微納米加工技術是指加工形成的部件或結構本身的尺寸在微米或納米量級.微納米加工技術是一項涵蓋門類廣泛并且不斷發展中的技術.在2004年國際微納米工程年會上,曾有人總結出多達60種微納米加工方法.可見實現微納米結構與器件的方法是多樣的.本文不可能將所有微納米加工技術一一介紹.對這些加工技術的詳細介紹目前已有專著出版.筆者在此僅將已開發出的微納米加工技術歸納為三種類型作概括性的介紹

（1）平面工藝

以平面工藝為基礎的微納米加工是與傳統機械加工概念完全不同的加工技術.圖1描繪了平面工藝的基本步驟.平面工藝依賴于光刻(lithography)技術.首先將一層光敏物質感光,通過顯影使感光層受到輻射的部分或未受到輻射的部分留在基底材料表面,它代表了設計的圖案.然后通過材料沉積或腐蝕將感光層的圖案轉移到基底材料表面.通過多層曝光,腐蝕或沉積,復雜的微納米結構可以從基底材料上構筑起來.這些圖案的曝光可以通過光學掩投影實現,也可以通過直接掃描激光束,電子束或離子束實現.腐蝕技術包括化學液體濕法腐蝕和各種等離子體干法刻蝕.材料沉積技術包括熱蒸發沉積,化學氣相沉積或電鑄沉積.圖1平面工藝的基本過程:在硅片上涂光刻膠、曝光、顯影,然后把膠 的圖形通過刻蝕或沉積轉移到其他材料

（2）探針工藝

探針工藝可以說是傳統機械加工的延伸,這里各種微納米尺寸的探針取代了傳統的機械切削工具.微納米探針不僅包括諸如掃描隧道顯微探針,原子力顯微探針等固態形式的探針,還包括聚焦離子束,激光束,原子束和火花放電微探針等非固態形式的探針.原子力探針或掃描隧道電子探針一方面可以直接操縱原子的排列,同時也可以直接在基底材料表面形成納米量級的氧化層結構或產生電子曝光作用.這些固體微探針還可以通過液體輸運方法將高分子材料傳遞到固體表面,形成納米量級的單分子層點陣或圖形.非固態微探針如聚焦離子束,可以通過聚焦得到小于10nm的束直徑,由聚焦離子束濺射刻蝕或化學氣體輔助沉積可以直接在各種材料表面形成微納米結構.聚焦激光束已經廣泛應用于傳統加工工業,作為切割或焊接工具.高度聚焦的激光束也可以直接剝蝕形成微納米結構,例如近年來出現的飛秒激光加工技術.利用激光對某些有機化合物的光固化作用也可以直接形成三維立體微納米結構.只要加工的工具足夠小,即使傳統機械加工技術也有可能制作微米量級的結構.例如,利用聚焦離子束的微加工能力可以制造尖端小于10Lm的高速鋼銑刀.這種微型銑刀可以加工小于100Lm的溝槽或臺階結構.探針工藝與平面工藝的最大區別是,探針工藝只能以順序方式加工微納米結構.而平面工藝是以平行方式加工,即大量微結構同時形成.因此平面工藝是一種適合于大生產的工藝.但探針工藝是直接加工材料,而不是像平面工藝那樣通過曝光光刻膠間接加工.3納米級加工的關鍵技術

(l)測量技術

納米級測量技術包括納米級精度的尺寸和位移的測量、納米級表面形貌的測量.納米級測量技術主要有兩個發展方向:1)光干涉測量技術:可用于長度、位移、表面顯微形貌的精確測量.用此原理測量的方法有雙頻激光干涉測量、光外差干涉測量、X射線干涉測量等.2)掃描探針顯微測量技術:主要用于測量表面微觀形貌.用此原理的測量方法有掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)等.(5)掃描隧道顯微加工技術(sTM).掃描隧道顯微加工技術是納米加工技術中的最新發展,可實現原子、分子的搬遷、去除、增添和排列重組,可實現極限的精加工或原子級的精加工.近年來這方面發展迅速,取得多項重要成果.1990年美國Eigler等人,在低溫和超真空環境中,用STM將鎳表面吸附的xe(氛)原子逐一搬遷,最終以35個Xe原子排成IBM3個字母,每個字母高snm.Xe原子間最短距離約為Inm,以后他們又實現了原子的搬遷排列.在鉑單晶的表面上,將吸附的一氧化碳分子用sTM搬遷排列起來,構成一個身高snm的世界上最小人的圖樣.此“一氧化碳小人”的分子間距僅為0.snm.將STM用于納米級光刻加工時,它具有極細的光斑直徑,可以達原子級,可得到10nm寬的線條圖案.4微型機械和微型機電系統

(l)微型機械.現在微型機械的研究已達到較高水平,已能制造多種微型零件和微型機構.已研制成功的三維微型機械構件有微齒輪、微彈簧、微連桿、微軸承等.微執行器是比較復雜、難度大的微型器件,研制成功的有微閥、微泵、微開關、微電動機等.(2)微型機電系統.MEMS是在微電子工藝基礎上發展起來的多學科交叉的前沿研究領域.是納米加工技術走向實用化,能產生經濟效益的主要領域.比如:l)微型機器人是一個非常復雜的機電系統.美國正在研制的無人駕駛飛機僅有蜻蜓大小,并計劃進一步縮小成蚊子機器人,用于收集情報和竊聽.醫用超微型機器人是最有發展前途的應用領域.它可進入人的血管,從主動脈管壁上刮去堆積的脂肪,疏通患腦血栓病人阻塞的血管.日本制定了采用機器人外科醫生的計劃,并正在開發能在人體血管中穿行、用于發現并殺死癌細胞的超微型機器人.2)微型慣性儀表:慣性儀表是航空、航天、航海中指示方向的導航儀器,由于要求體積小、重量輕、精度高、工作可靠.因此是微型機電系統應用的理想領域.現在國外已有微型加速度幾何微型陀螺儀的商品生產,體積和重量都很小,但尚需提高精度.由于MEMs的發展已初具基礎,微型器件的發展也已達到一定水平,同時有微電子工業制造集成電路的經驗可借鑒,各產業部門又有使用MEMS的要求,因此現在MEMS的發展條件已具備.4.微納米加工技術發展趨勢

微納米加工技術是一項不斷發展中的技術.新技術取代老技術,先進技術取代落后技術是客觀發展規律.加工技術本身從來都只是手段,其目的是服務于科學研究或工業產品開發與生產.因此新的科研課題或新的工業產品開發會不斷對加工技術提出新的要求.新的加工技術將會不斷出現.5.參考文獻

[1]崔錚.為納米加工技術及其應用.北京:高教出版社, 2005 [2]張蘭娣,溫秀梅.納米加工技術及其應用闡述.2006 [3]陳海峰等.利用 AFM在 Au-Pd合金膜上制備納米結構[J].科學通報,1998 [4]顧長志等.微納米加工技術在納米物理與器件研究中的應用[J].物理,2006 [5]郭佑彪等.納米加工技術在機械制造領域的研究現狀[J].安徽化工,2005 [6]陳寶欽.微光刻與微/納米加工技術[J].微納電子技術,2011 [7] 朱團.新型納米加工技術的研究進展[J].科技創新與應用,2014 [8] 李勇.納米級加工、測控技術及其應用[J].儀器儀表學報,1995 [9] 郭隱彪.微納米加工與檢測技術進展[J].三明學院學報,2006 [10]馮薇.精密與超精密磨削的發展現狀[J].集美大學學報,2010 [11] 李德剛.基于分子動力學的單晶硅納米加工機理及影響因素研究[D].哈爾濱工業大學,2008 [12] 梁迎春.納米加工過程中金剛石刀具磨損研究的新進展[J].摩擦學學報,2008 [13] 梁烈潤.新興納米加工技術簡介[J].機電一體化,2006 [14]姚駿恩.納米測量儀器和納米加工技術[J].中國工程科學,2003 [15] 梁迎春.納米加工及納構件力學特性的分子動力學模擬[J].金屬學報,2008