航空航天特殊材料加工技术[推荐]

第一篇：航空航天特殊材料加工技术[推荐]

航空航天特殊材料加工技术

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电子束加工

摘要:电子束加工技术是近年发展起来的一种先进制造技术。由于它所具有的各种独特的优点，已在众多的工业领域得到了非常广泛的应用，其在材料表面改性、机械加工等方面的应用已受到广泛关注。主要介绍电子束在打孔、熔炼、显微技术和焊接等方面的工业应用。

关键词:电子束；加工原理；工业应用

1引言

近年来，许多国家对电子束加工原理及方法进行了大量的实验研究，并在工业上得到一定的实际应用，使得该技术得到了飞速发展。本文主要针对电子束加工技术的发展、研究现状和应用进行理论分析和探讨。电子书技术在国内外的发展现状

电子束技术是一种非接触加工的高能束流加工技术。它利用经高压静电场和电磁场加速与会聚的高能量电子流作为热源，对工件或材料实施各种特殊的加工。由于它具有能量密度极高、热效率高、精密易控及多功能等等特点，在工业领域的各个行业得到了广泛的应用，是高科技发展不可缺少的特种加工手段之一。

1948年，德国物理学家SteigerwaldK.H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为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。大连理工大学三束材料改性国家重点实验室，采用电子束对材料表面进行照射，研究其对材料表面的改性。郝胜志等以纯铝材为基础研究材料，深入研究不同参数的脉冲电子束轰击处理对试样显微结构和力学性能的影响规律，进而获得强流脉冲电子束表面改性的一些微观物理机制，通过载能电子与固体表面的相互作用过程，建立较为合理的实际加工中的物理模型，利用二维模型数值计算方法模拟计算试样中的动态温度场及应力场分布，并选用1Cr18Ni9Ti和GCr15进行初步的改性应用尝试性工作。吴爱民等以H13和D2模具钢为基材，通过脉冲电子束直接淬火和电子束表面合金化等方法进行表面改性处理试验。

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，今后的任务还很艰巨。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(HEDB)，真空电子束的功率密度大于10W /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。

3.1 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。

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10W /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。3.2 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。电子束加工在材料加工中的应用

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。5.1 电子束焊接

电子束焊接技术是一种利用电子束作为热源的焊接工艺，它利用经高压静电场与电磁场加速与会聚的高能量密度电子束轰击焊件表面，将电子的动能大部分转变为热能，使焊件接头处的金属熔融，达到焊接的目的。电子束焊接的工作原理见图3。

图3真空电子束焊机工作原理示意图

电子束焊接有着无可置疑的优越性：(1)电子束能量高度集中，密度为10~10W/cm，约为普通电弧或氩

692弧的10～100万倍。因此可以实现深而窄的焊缝型式，可将200～300mm厚的钢材一次焊成，而用电弧焊则需堆焊150次以上。

(2)电子束焊接所需线能量小而焊接速度又高，因此焊件热影响区小，焊件变形也就小，常可用于精加工后的焊接。焊缝的深宽比可达20∶1，采用高压枪或特殊焊接工艺，深宽比可高达50∶1。

(3)电子束焊接一般不需加填料，焊接过程在真空中进行，当真空度为10-2Pa时，空气中的剩余气体(H2、O2等)含量小于0.132ppm，而一般高纯惰性保护气体的杂质含量为50ppm。因此电子束焊接的焊缝化学成份非常纯净，焊接的接头强度高，常可高于母材的强度，焊缝质量是其它任何焊接所无法比拟的。

(4)电子束焊接可适用于几乎所有的金属材料，如普通碳钢、不锈钢、合金钢、铜、铝、难熔金属及活泼金属等。

(5)电子束焊接的工艺参数可精确控制，结合现代计算机技术，可实现复杂焊缝和变截面焊缝的焊接、焊缝自动跟踪及焊接过程的自动化等。5.2 电子束熔炼

电子束熔炼主要用于材料的提纯、真空浇铸以及贵金属的回收重熔，还可以用于制取半导体材料和难熔金属及其合金的单晶等。

电子束熔炼也是利用高能量密度的电子束在轰击金属时产生高温使金属熔化。由于这一过程是在真空中进行，并且材料处于熔融状态的时间可按需要控制，因此可以获得较好的提纯效果，容易获得高纯度的材料。这是电子束熔炼优于其它真空熔炼的一个重要特点。此外由于电子束能量密度高，能量调节方便,特别适用于熔炼难熔金属。对于金属钽,经电子束一次熔炼后，总气体含量可下降88%，经二次电子束熔炼后，总气体含量可降低99%；对于金属铌，一次熔炼可使总气体含量降低89%，二次熔炼可降低96.5%；对于金属钨，一次熔炼可使总气体含量降低96%，二次熔炼降低99%。由此可见电子束熔炼的提纯效果是十分显著的，对于其它金属材料如钼、镍基合金、高强钢等,都有很好的提纯效果。5.3 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10W /cm,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4a、图4b)、斜孔(见图4c)、锥孔(见图4d)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。28

图4 电子束加工几种典型孔的形状

5.4 电子束显微技术 现代微电子技术领域中，产品的设计和研究都需要对样品的内部结构和表面形貌进行成像观察，以及对样品表面或界面的微观结构和化学成分进行定性和定量分析。为此，人们利用电子束显微技术研制了各种电子光学仪器，它利用电子束轰击样品材料，对产生的各种携带物理和化学信息的粒子经过接受、转换和处理获得关于样品的物理结构和化学成分信息的信号，而达到材料微观结构和化学成分的定性定量分析。

由于电子的波长很短,因此电子光学仪器的分辨率都比较高，如光学显微镜的放大倍数受衍射影响和限制，只能做到放大率≤2000，这对材料微观结构的研究是不可能的；而电子显微镜的放大倍数已达80万倍以上，可十分清晰地进行材料的微观观察与分析。

在大规模集成电路的研制和生产中，当采用电子束曝光、光刻时就可以不用掩模板，直接用电子束光刻图形相当灵活，其分辨率可高达0.05μm，而用一般光学曝光方法的分辨率只能达到1μm左右。又如俄歇电子谱仪是一种对分析样品非破坏性的分析仪器，能定性和定量地分析材料表面的化学成分，是一种性能优良的电子表面探针。电子束技术在工业中的应用并不限于本文所述，电子束技术在不断的发展，其应用领域也在不断拓宽，许多研究工作还在深入，电子束技术在工业中的应用存在巨大的潜力。结语

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还有很多，随着电子束技术的不断发展，以及科技人员更深入的研究，电子束技术的应用领域也在不断拓宽，在工业中的应用前景值得期待。

参考文献

[1] 刘春飞,张益坤.电子束焊接技术发展历史、现状及展望[J].航天制造技术, 2003(2).[2] 毛智勇,胡元枧,林世昌.电子束加工技术的发展[C].电气技术发展综述, 2004.[3] 张文峰,朱荻.电子束加工技术及其在表面工程中的应用[ J].新技术新工艺·材料与表面处理, 2003(8).[4] 陈元芳,鲜杨.电子束加工技术及其应用[J].现代制造工程,2009(8).[5] 宋宜梅,李少林,钟庆华.电子书技术在工业领域的应用[J].广西机械,2003(1).[6] 车琴香,黄锦文.电子束加工[J].机械制造, 1996(7).[7] 陈芙蓉,霍立兴,张玉凤.电子束焊接技术在工业中的应用与发展[J].电子工艺技术, 2002(2).

第二篇：航空航天特殊材料加工技术

航空航天特殊材料加工技术

——激光切割加工工艺在航空航天领域的应用

激光制造技术在国防和航空航天领域的产业化应用前景远大，具有效率高、能耗低、流程短、性能好、数字化、智能化的特点，本文主要介绍了激光切割加工的组成、工作原理及各激光切割加工工艺技术在航空领域中的应用。针对现状，我国将继续发挥激光制造技术的优势，改变我国航空航天领域的关键器件和技术主要依赖进口的现状，最终形成我国新一代激光制造产业链。

激光切割加工的组成及工作原理

激光加工有四部分组成，分别是激光器、电源、光学系统、机械系统。工作原理 ：

激光加工利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化气化而进行穿孔、切割和焊接等的特种加工。早期的激光加工由于功率较小，大多用于打小孔和微型焊接。到20世纪70年代，随着大功率二氧化碳激光器、高重复频率钇铝石榴石激光器的出现，以及对激光切割加工机理和工艺的深入研究，激光加工技术有了很大进展，使用范围随之扩大。数千瓦的激光切割加工机已用于各种材料的高速切割、深熔焊接和材料热处理等方面。各种专用的激光切割加工设备竞相出现，并与光电跟踪、计算机数字控制、工业机器人等技术相结合，大大提高了激光加工机的自动化水平和使用功能。

随着激光制造技术的发展，桥梁、船舶等结构都由传统的铆接工艺发展到采用激光焊接技术，但先进的激光焊接技术难以在飞机制造中开展广泛的应用。长久以来，飞机结构件之间的连接一直采用落后的铆接工艺，主要原因是飞机结构采用的铝合金材料是热处理强化铝合金（即高强铝合金），一经熔焊后，热处理强化效果就会丧失，而且晶间裂纹难以避免。因此，普通氩弧焊等熔焊方法在飞机制造中的应用成为禁区。另一方面，在80年代初，铝及其合金的激光加工十分困难，被认为是不可能的。主要是由于铝合金存在对10.6mm波长激光的高反射和自身的高导热性。在当时，激光加工主要使用波长为10.6mm的CO2激光器，而铝对CO2激光的反射率高达97%，通常作为反射镜使用。但是，激光加工的优越性又极大地吸引着从事激光材料加工的科研工作者。他们为此付出了大量的时间和精力来研究铝合金激光加工的可能性。

目前，高强铝合金激光焊接成果已经成功应用于欧洲空中客车公司飞机制造中，其铝合金内隔板均采用激光加工，实现了激光焊接取代传统铆接工艺。激光焊接技术的采用，大大地简化了飞机机身的制造工艺，使机身重量减轻18%，成本下降21.4%~24.3%，被认为是飞机制造业的一次技术大革命。空客A380的制造就采用了激光焊接技术，极大地减轻了飞机自重，增加了载客量。德国政府2006年公布的科技发展计划中将激光焊接技术列为航空工业两大尖端发展技术之一。

在航空领域，航空发动机的备件价格很高，因而在很多情况下维修零件是比较划算的。但是修复后零件的质量必须满足安全要求。例如，飞机螺旋桨叶片表面上出现损伤时，必须通过一些表面处理技术进行修复。除了考虑螺旋桨叶片所要求的高强度、高耐疲劳性，还必须考虑表面修复后的耐腐蚀性。选择一种合适的表面处理技术对螺旋桨叶片进行修复，对节省装备维护费用，提高装备使用寿命具有很重要的意义。

第三篇：航空航天焊接技术要求有哪些？

航空航天焊接技术要求有哪些？

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焊接技术要求是实现各种材料构件连接的重要途径和手段，也是实现飞行器的整体、轻质、高效目标的必由之路。作为航空航天领域的关键连接技术，为更好地满足国防工业发展的需要，全方位地了解先进特种焊接技术及设备在航空航天领域的应用现状和需求。航空航天焊接技术要求主要有以下几点:

1、搅拌摩擦焊接技术要求： 搅拌摩擦焊接技术是近年来国际上发展较快的技术之一，具有对被焊材料损伤小、焊接变形低、焊缝强度高和绿色制造特点，被誉为“当代最具革命性的焊接技术要求”。由于其在制造成本、焊接质童以及节能环保等方面具有许多独特的优势，近年来，搅拌摩擦焊接技术和设备已在世界范围内得到广泛而深入的研究。搅拌摩擦焊在航空航天业的应用主要包括以下几个方面:机翼、机身、尾翼;飞机油箱;飞机外挂燃料箱;运载火箭、航天飞机的低温燃料筒;军用和科学研究火箭和导弹;熔焊结构件的修理等。近年来，尽管我国搅拌摩擦焊接技术要求取得了较大的发展，但与国外相比，我国在基础研究、设备研制及生产应用方面还存在一定差距，生产应用中涉及被焊材料范围小、所测接头性能数据少，而且缺乏统一的焊接质量检验标准。当务之急应是引人竞争机制，集全国之力，产学研结合，重视基础理论研究，提高设备制造水平，建立统一的焊接质量检验标准，以期降低生产应用成本，加速搅拌摩擦焊接技术以及薄板焊接在我国的工程应用。

第四篇：先进加工技术

工程训练报告

先进加工技术----3D打印

学院：机械与汽车工程学院

班级：机械13--4 姓名：姜晖

学号：201301011215

先进加工技术--------3D打印

众所周知，传统的打印技术及其所配套的打印设备只能进行简单或者稍微复杂的二维平面打印。然而，随着时代的发展，特别是对于加工效率，加工精度的要求日益增长的情况下，传统的二维打印越来越力不从心，在一次次高科技革命的推动下，3D打印应运而生。

3D打印，也称为3D立体打印技术，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印技术最早出现于20世纪90年代，是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。原理方面与传统的二维打印机相同，打印盒内装有粉末等打印材料与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物的一种快速成型技术。

相对于传统打印机，3D打印机所用原理基本相同，但是所用的原料并不相同，传统打印机所用的材料是墨粉和各种纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，当打印机与电脑连接后，在电脑进行控制下，按照设计人员设定的三维立体模型，将原材料一层一层叠加起来，将计算机的立体模型变为一个实实在在的立体产品。

3D打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式，并以不同层构建创建部件。3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。

介绍了3D打印技术，就不得不介绍3D打印的工作过程.3D打印最重要的一个过程就是设计过程，3D打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。

其次便是相切面包一样，对模型进行切片处理：打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度（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）或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如ObjetConnex 系列还有三维 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

完成以上步骤后，便只剩下完成打印了：三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。

现行的3D打印有多种成型方法，每项各有利弊：

电子束是3D金属打印成型最快方法电子束快速成型技术目前还有一些技术难点尚待进一步研究，比如成型过程中废热高，金属构件中金相结构控制较为困难，特别是成型时间长，先凝固的部分经受的高温时间长，对金属晶态成长控制困难，进而引起大尺度构件应力复杂等等。

电子束成型对复杂腔体，扭转体，薄壁腔体等成型效果不佳，他的成形点阵精度在毫米级，所以成型以后仍然需要传统的精密机械加工，也需要传统的热处理，甚至锻造等等。

但电子束快速成型速度快，是目前3D金属打印类打印速度最快的，可达15KG／小时，设备工业化成熟度高，基本可由货架产品组合，生产线构建成本低，具有很强的工业普及基础，同时，电子束快速成型设备同时还能具有一定的焊接能力和金属构件表面修复能力，应用前景广泛。在发动机领域，目前美国和中国在电子束控制单晶金属近净形成型技术方面正积极研究，一旦获得突破，传统的单晶涡轮叶片生产困难和生产成本高的问题将获得极大的改善，从而大大提高航空发动机的性能，并对发动机研制改进等提供了极大的助力。

由于电子束成形精度受到电子束聚焦和扫描控制能力的限制，激光作为更高精度的能量介质引起高度重视，激光成形技术几乎是和电子束成形技术同步起步发展，但是，由于稳定的10KW以上级的大功率激光器到2008年才开始逐步工业化，所以激光成形技术在最近才出现喷涌的盛况。

激光数字成型技术主要有两个类别，一是激光近净成形制造（LENS）、金属直接沉积（DMD），这个类别的技术和电子束快速成型类似，也是利用控制扫描区域形成控制的熔融区，用金属丝或金属粉同步扫描点添加，金属熔融沉积，这项技术算电子束快速成型的高精度的进化成果，激光的扫描点阵精度可以比电子束高一个数量级，可以得到更高精度的零件，从而进一步减少材料的耗量和机械加工的需求，同时它还能保留电子束快速成型的打印速度快的优势。

这类区域熔融的技术需要大尺度的腔体提供零件加工所需的真空环境，这限制了加工零件的尺寸，激光熔融区的大小和功率直接相关，越大形的构件加工能力要求越高，由于电子束对金属的热效应深度比较大，而激光热效应深度较小，激光成形时胚体受热和散热状况要好于电子束，因此它能形成很薄的熔化区和更细密均匀的沉积构造，凝固过程中的金相结构更容易控制，热应力复杂度要低很多，可以制造更精确的形状和更复杂零件，也能制造较薄壁的零件类型。美DRAPA，洛克希德先进制造技术中心，和飞利浦、宾州大学等于2013年演示的先进制造

DM概念，就是基于这类技术基础。

激光3D打印几乎可直接加工出工业零件

目前主流的激光打印机是利用硒鼓静电吸附墨粉，激光扫描熔融墨粉形成图像的，这种打印方式精度可达300PPI，利用激光打印和粉末冶金技术结合，新一代的最有希望的最精密成型的技术是以直接金属激光烧结（Direct metal laser sintering，DMLS）和选区激光（selective laser sintering，SLS）为代表的激光精密数字成形。这两者都是在基底铺设金属粉末，由激光扫瞄烧结，所不同的是，直接烧结是边铺粉边烧，而选区烧结是先铺整层粉末，然后激光扫描烧结，这种烧结每次沉积厚度约20－100微米，通过反复多次的沉积最终获得三维立体的零件。

激光精密成形的优点是精度高，成形点阵可以小于0.01毫米，可以得到近似平滑的表面，能够处理空腔，薄壁等复杂空间扭转体，和相互交叉穿透的复杂空腔和管路，几乎可以加工出直接应用的工业零件。

激光3D打印零件强度略小于锻造机加件

高精度激光烧结对激光的功率要求中等，烧结点温度虽然高，但是点阵小，每点阵金属熔融凝固量很少，全过程热释放低，材料胚体温度接近常温区，较少形成复杂的热应力情况，金属凝固形成的金相较为均匀细密，大多为细小的晶格态，类似于经过锻造的金属构件，获得金属零件强度略小于锻造机加件。

美国德州大学奥斯汀分院最早于1986年提出SLS的专利，由DTM公司提供商用设备，美国麻省理工1988年提出DMLS的概念和专利，但目前商用化设备主要的供应商都来源于欧洲，德国EOS略占优势，MTT 公司和 Concept Laser 公司也具有很强的竞争力。中国于1998年以后开始开展SLS方面的研究，2000年以后，随着商品化光纤激光器的成熟，国内在SLS方面取得一定成果，2004年起，有至少3家公司和单位提出SLS技术应用化的专利，在航空领域因材料强度方面的问题，早期的应用主要在快速建立冶金应用模具方面。

作为一种主流的高新技术，3D打印有着非常广阔的应用领域：军工，航天，医学，甚至于建筑行业，均存在着3D打印技术的影子.3D打印技术目前在全球也是前沿技术和前沿应用，最尖端的航空工业对这种技术最为关注也最严谨，美国90年代中期就获得这类技术的工业尝试，但是他们一直称为近净成型加工技术，F－22,F－35都有应用，不过因为一些加工工艺等原因，美国也没有能大规模应用，但美国将这一技术一直作为先进制造技术而由美国国防高级研究计划局（DRAPA）牵头，组织美国30多家企业对这一技术长期研究。

美国如此重视，我国自然也不甘落后。最近几年，中国航空工业捷报频传，先进战斗机歼-20，歼-31，舰载机歼-15，运输机运-20一大批高新机不断诞生，接踵而出，最为引人关注的是，在2013年全球3D打印热潮中，以北航和西工大两个科研主体带动，沈飞、成飞、西飞等数家航空制造企业为主体，成为全球第二个能够在实际应用中利用3D打印技术制造飞机零件的国家。

与其他的高新技术一样，3D打印技术也有着自身的缺点和不足之处。

3D打印零件强度还难以作为飞机受力构件

3D打印概念的出现是一种制造工业领域革命性的新技术，目前的诸多成形手段和方法都有各自的具体优点和缺陷，在航空领域，选择烧结SLS技术看起来潜力最大，应用前景最广泛，它的材料适应范围最广，从铝合金、钛合金、高强度钢、高温合金到陶瓷都能处理，但是它属于微观粉末冶金的范畴，快速成形中，粉末冶金技术中因熔融——凝固过程过快，成形体中容易夹杂空穴，未完全熔融的粉末，胚体缺陷还有可能包括激光扫描线方向形成的熔融——凝固不均匀金相微观线状晶格排列，这些都会严重影响了成形件的强度。

目前激光选区成形的构件大多都只能达到同牌号金属铸造的强度水平，虽然这已经能让构件进入正常的应用领域，但显然要承担象飞机这样的主要结构受力构件还是有很大限制的。

3D金属打印零件表面还需进一步机械加工直接金属激光烧结DMLS技术因为直接用激光熔融金属丝沉积，金属本身是致密体重熔，不易产生粉末冶金那样的成形时的空穴，这个技术生产的构件致密度可达99％以上，接近锻造的材料胚体，目前国际国内都主要利用这种技术制造高受力构件，它能达到同牌号金属最 高强度的90～95％左右的水平，接近一般锻造构件。

目前的金属3D打印构件都不能直接形成符合要求的零件表面，它都必须经过表面的机械加工，去除表面多余的，不连续的，不光滑的金属，才能作为最终使用的零件，因此，尽管3D打印可以获得复杂的空间结构和一些复杂的管路和腔体，但是这些管路和腔体的机械加工很有可能无法进行，其零件的重量效率，管路流动效率等方面不一定能够满足实际需求，因此，尽管3D打印可能能一步直接完成很多复杂零件的成形，但其还不具备直接取代传统机械加工的能力。

3D打印对飞机大型构件制造还存在问题

直接成形的金属零件在生产过程中因为反复经受局部接近熔点温度受热，内部热应力状态复杂，在成形某些大型细长体，薄壁体金属构件时，应力处理和控制还不能满足要求，实际上到目前为止一直影响3D打印在航空业的应用也正是因为这个原因。

美国从1992年开始就不断利用这类技术希望能够直接生产飞机用的大型框架，粱绗，整体壁板等，正是因为应力复杂，大型构件成形过程中或成形后会产生严重变形，严重到无法使用。所以3D打印技术尽管很早就出现了，但国外航空工业界还持有相当的保守态度也是有原因的。激光3D打印工业化面临精细度难题目前激光成形技术面临工业化的两个方向相互间有矛盾，一是打印精细度，目前的打印精细度SLS最高，基本在1～0.1毫米左右，而其他技术加工生成的零件表面精度则在0.8～5毫米之间，目前市场销售的2D激光打印机点阵精度在1200DPI左右即0.02毫米，这个精度可以获得近似光滑的曲面，提高精度受到打印耗材粉末的粒径粗细和激光熔融金属液态滴状表面张力影响，要把精度提高到0.1毫米以下还有很大困难，不过铺粉预处理、激光超快速融化——凝固等技术的出现会为提高激光成形的精度有很大帮助。

激光3D打印工业化面临打印速度难题另一个发展方向则是提高打印速度，目前激光打印的速度还是较慢的，每小时印重量大多都在1公斤以下，最好水平也只有9公斤／小时左右，要实现工业化生产，特别是大规模化生产，这个速度是不够的，现在的激光成形基本还是单光头单层铺粉作业，未来为了提高打印速度和应对超大型构件打印，已经有多光头多层铺粉同步打印的设计出现。

激光成形目前尚属于单一技术应用，但是在工业界，激光冲击强化在冶金方面应用已经有10几年的历史了，激光打印成形实际上很有希望能够直接集成激光冲击强化，激光淬火等技术，它能让激光成形的构件更加致密，且具有高级别的强度，实际上激光3D打印机都能简单的通过软件控制来实现激光冲击强化的功能。

现在3D打印技术还只是露出第一缕曙光

新的制造方法需要新的一系列处理工艺配合，3D打印目前只能算一丝曙光，真正达到大规模应用产生效益，还需要很长的时间发展和积累。

3D打印技术的出现是信息革命在攻克传统工业的最后堡垒的终结的冲锋号，因而引发了一系列的科学技术领域研究的新课题，激光粉末冶金，微沉积金相学，微观淬火、锻造，激光冲击强化等一系列机械制造，冶金等领域的课题将会让已经暮气沉沉的传统冶金科学，和制造科学领域重新充满发展的动力，在未来的数十年间，谁在这些技术领域获得应用化的实际成果，可能会影响和颠覆现有的制造工业的基本面貌,未来可谓潜力无限。

第五篇：纳米加工技术

纳米加工技术及其应用

江苏科技大学机械学院

学号：139020021

姓名：原旭全

纳米尺度的研究作为一门技术,是80年代刚刚兴起的.它所研究的对象是一般研究机构很难涉猎的即非宏观又非微观的中间领域,有人称之为介观领域.所谓纳米技术通常指纳米级(0.1nm~l00nm)的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术.纳米技术主要包括纳米级精度和表面形貌的测量;纳米级表层物理、化学、机械性能的检测;纳米级精度的加工和纳米级表层的加工一一原子和分子的去除、搬迁和重组;纳米材料;纳米级微传感器和控制技术;微型和超微型机械;微型和超微型机电系统;纳米生物学等;纳米加工技术是纳米技术的一个组成部分.纳米加工的含义是达到纳米级精度(包括纳米级尺寸精度,纳米级形位精度和纳米级表面质量)的加工技术.其原理使用极尖的探针对被测表面扫描(探针和被侧表面不接触),借助纳米级的三维位移控制系统测量该表面的三维微观立体形貌.材料制造技术.著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在20世纪60年代曾预言:如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话,我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性,就会看到材料的性能产生丰富的变化.他说的材料即现在的纳米材料.纳米材料是由纳米级的超微粒子经压实和烧结而成的.它的微粒尺寸大于原子簇,小于通常的微粒,一般为l一100nm.它包括体积份数近似相等的两部分:一是直径为几个或几十个纳米的粒子;二是粒子间的界面.纳米材料的两个重要特征是纳米晶粒和由此产生的高浓度晶界.这导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变.如:纳米陶瓷由脆性变为100%的延展性,甚至出现超塑性.纳米金属居然有导体变成绝缘体.金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中,可大大降低静电作用.纳米Tiq按一定比例加入到化妆品中,可有效遮蔽紫外线.当前纳米材料制造方法主要有:气相法、液相法、放电爆炸法、机械法等.l)气相法:¹热分解法:金属拨基化合物在惰性介质(N2或洁净油)中热分解,或在H冲激光分解.此方法粒度易控制,适于大规模生产.现在用于Ni、Fe、W、M。等金属,最细颗粒可达3一10nm.º真空

蒸发法:金属在真空中加热蒸发后沉积于一转动圆的流动油面上;可用真空蒸馏使颗粒浓缩.此法平均颗粒度小于10nm.2)液相法:¹沉积法:采用各种可溶性的化合物经混合,反应生成不溶解的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐或有机盐等沉淀.把过滤后的沉淀物热分解获得高强超纯细粉.采用此工艺制备出均质的玻璃和陶瓷.由于该法可制备超细(10nm一100nm)、化学组成及形貌均匀的多种单一或复合氧化物粉料.已成为一种重要的超细粉的制备方法.3)放电爆炸法:金属细丝在充满惰性气体的圆筒内瞬间通人大电流而爆炸.此法可制造Mo.W等难熔金属的超细颗粒(25一350nm),但不能连续操作.4)机械法:利用单质粉末在搅拌球磨(AttritorMill)过程中颗粒与颗粒间和颗粒与球之间的强烈、频繁的碰撞粉碎.近几年大量采用搅拌磨,即利用被搅拌棍搅拌的研磨介质之间的研磨,将粉料粉碎粉碎效率比球磨机或振动磨都高.(3)三束加工技术:可用于刻蚀、打孔、切割、焊接、表面处理等.l)电子束加工技术:电子束加工时,被加速的电子将其能量转化成热能,以便除去穿透层表面的原子,因此不易得到高精度.但电子束可以聚焦成很小的束斑(巾0.1林m)照射敏感材料.用电子刻蚀,可加工出0.1林m线条宽度.而在制造集成电路中实际应用.2)离子束加工技术:因离子直径为0.Inm数量级.故可直接将工件表面的原子碰撞出去达到加工的目的.用聚焦的离子束进行刻蚀,可得到精确的形状和纳米级的线条宽度.3)激光束加工技术:激光束中的粒子是光子,光子虽没有静止质量,但有较高的能量密度.激光束加工常用YAG激光器认封.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击去掉表面原子,而是光能使材料熔化、汽化后去掉原子.(4)LIGA(Lithographie,Galvanoforming,Abforming)技术.这是最新发展的光刻、电铸和模铸的复合微细加工技术.它采用深度同步辐射X射线光刻,可以制造最大高度为1000林m、高宽比为200的立体结构,加工精度可达0.1林m.刻出的图形侧壁陡峭,表面

光滑.加工微型器件可批量复制,加工成本低.目前,在LIGA工艺中再加入牺牲层的方法,使加工出的微器件一部分可脱离母体而能转动或移动.这在制造微型电动机或其他驱动器时极为有用.LIGA技术对微型机械是非常有用的工艺方法.1与常规精加工的比较

纳米级加工中.工件表面的原子和分子是直接加工的对象.即需切断原子间的结合.纳米加工实际已到了加工的极限.而常规的精加工欲控制切断原子间的结合是无能为力的,其局限性在于: l)高精度加工工件时,切削量应尽量小而常规的切削和磨削加工,要达到纳米级切除量,切削刀具的刀刃钝圆半径必须是纳米级,研磨磨料也必须是超细微粉.目前对纳米级刃口半径还无法直接测量.2)工艺系统的误差复映到工件,工艺系统的受力/热变形、振动、工件装夹等都将影响工件精度.3)即使检测手段和补偿原理正确,加工误差的补偿也是有限的.4)加工过程中存在不稳定因素.如切削热,环境变化及振动等.由此可见.传统的切削/磨削方法,一方面由于加工方法的局限或由于加工机床精度所限,显示出在纳米加工领域应用裕度不足.另一方面,由于科技产业迅猛发展,加工技术的极限不断受到挑战.有研究表明,磨削可获得o.35nm的表面粗糙度,但对如何实现稳定、可靠的纳米机加工以及观察研究材料微加工过程力学性能则始终受到实验手段的限制.因此纳米机加工必须寻求新的途径即直接用光子、电子、离子等基本粒子进行加工.例如,用电子束光刻加工超大规模集成电路.2.微纳米加工技术的分类

自人类发明工具以来,加工是人类生产活动的主要内容之一.所谓加工是运用各种工具将原材料改造成为具有某种用途的形状.一提到加工,人们自然会联想到机械加工.机械加工是将某种原材料经过切削或模压形成最基本的部件,然后将多个基本部件装配成一个复杂的系统.某些机械加工也可以称为微纳米加工.因为就其加工精度而言,某些现代磨削或抛光加工的精度可以达到微米或纳米量级.但本文所讨论的微纳米加工技术是指加工形成的部件或结构本身的尺寸在微米或纳米量级.微纳米加工技术是一项涵盖门类广泛并且不断发展中的技术.在2004年国际微纳米工程年会上,曾有人总结出多达60种微纳米加工方法.可见实现微纳米结构与器件的方法是多样的.本文不可能将所有微纳米加工技术一一介绍.对这些加工技术的详细介绍目前已有专著出版.笔者在此仅将已开发出的微纳米加工技术归纳为三种类型作概括性的介绍

（1）平面工艺

以平面工艺为基础的微纳米加工是与传统机械加工概念完全不同的加工技术.图1描绘了平面工艺的基本步骤.平面工艺依赖于光刻(lithography)技术.首先将一层光敏物质感光,通过显影使感光层受到辐射的部分或未受到辐射的部分留在基底材料表面,它代表了设计的图案.然后通过材料沉积或腐蚀将感光层的图案转移到基底材料表面.通过多层曝光,腐蚀或沉积,复杂的微纳米结构可以从基底材料上构筑起来.这些图案的曝光可以通过光学掩投影实现,也可以通过直接扫描激光束,电子束或离子束实现.腐蚀技术包括化学液体湿法腐蚀和各种等离子体干法刻蚀.材料沉积技术包括热蒸发沉积,化学气相沉积或电铸沉积.图1平面工艺的基本过程:在硅片上涂光刻胶、曝光、显影,然后把胶 的图形通过刻蚀或沉积转移到其他材料

（2）探针工艺

探针工艺可以说是传统机械加工的延伸,这里各种微纳米尺寸的探针取代了传统的机械切削工具.微纳米探针不仅包括诸如扫描隧道显微探针,原子力显微探针等固态形式的探针,还包括聚焦离子束,激光束,原子束和火花放电微探针等非固态形式的探针.原子力探针或扫描隧道电子探针一方面可以直接操纵原子的排列,同时也可以直接在基底材料表面形成纳米量级的氧化层结构或产生电子曝光作用.这些固体微探针还可以通过液体输运方法将高分子材料传递到固体表面,形成纳米量级的单分子层点阵或图形.非固态微探针如聚焦离子束,可以通过聚焦得到小于10nm的束直径,由聚焦离子束溅射刻蚀或化学气体辅助沉积可以直接在各种材料表面形成微纳米结构.聚焦激光束已经广泛应用于传统加工工业,作为切割或焊接工具.高度聚焦的激光束也可以直接剥蚀形成微纳米结构,例如近年来出现的飞秒激光加工技术.利用激光对某些有机化合物的光固化作用也可以直接形成三维立体微纳米结构.只要加工的工具足够小,即使传统机械加工技术也有可能制作微米量级的结构.例如,利用聚焦离子束的微加工能力可以制造尖端小于10Lm的高速钢铣刀.这种微型铣刀可以加工小于100Lm的沟槽或台阶结构.探针工艺与平面工艺的最大区别是,探针工艺只能以顺序方式加工微纳米结构.而平面工艺是以平行方式加工,即大量微结构同时形成.因此平面工艺是一种适合于大生产的工艺.但探针工艺是直接加工材料,而不是像平面工艺那样通过曝光光刻胶间接加工.3纳米级加工的关键技术

(l)测量技术

纳米级测量技术包括纳米级精度的尺寸和位移的测量、纳米级表面形貌的测量.纳米级测量技术主要有两个发展方向:1)光干涉测量技术:可用于长度、位移、表面显微形貌的精确测量.用此原理测量的方法有双频激光干涉测量、光外差干涉测量、X射线干涉测量等.2)扫描探针显微测量技术:主要用于测量表面微观形貌.用此原理的测量方法有扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)等.(5)扫描隧道显微加工技术(sTM).扫描隧道显微加工技术是纳米加工技术中的最新发展,可实现原子、分子的搬迁、去除、增添和排列重组,可实现极限的精加工或原子级的精加工.近年来这方面发展迅速,取得多项重要成果.1990年美国Eigler等人,在低温和超真空环境中,用STM将镍表面吸附的xe(氛)原子逐一搬迁,最终以35个Xe原子排成IBM3个字母,每个字母高snm.Xe原子间最短距离约为Inm,以后他们又实现了原子的搬迁排列.在铂单晶的表面上,将吸附的一氧化碳分子用sTM搬迁排列起来,构成一个身高snm的世界上最小人的图样.此“一氧化碳小人”的分子间距仅为0.snm.将STM用于纳米级光刻加工时,它具有极细的光斑直径,可以达原子级,可得到10nm宽的线条图案.4微型机械和微型机电系统

(l)微型机械.现在微型机械的研究已达到较高水平,已能制造多种微型零件和微型机构.已研制成功的三维微型机械构件有微齿轮、微弹簧、微连杆、微轴承等.微执行器是比较复杂、难度大的微型器件,研制成功的有微阀、微泵、微开关、微电动机等.(2)微型机电系统.MEMS是在微电子工艺基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域.是纳米加工技术走向实用化,能产生经济效益的主要领域.比如:l)微型机器人是一个非常复杂的机电系统.美国正在研制的无人驾驶飞机仅有蜻蜓大小,并计划进一步缩小成蚊子机器人,用于收集情报和窃听.医用超微型机器人是最有发展前途的应用领域.它可进入人的血管,从主动脉管壁上刮去堆积的脂肪,疏通患脑血栓病人阻塞的血管.日本制定了采用机器人外科医生的计划,并正在开发能在人体血管中穿行、用于发现并杀死癌细胞的超微型机器人.2)微型惯性仪表:惯性仪表是航空、航天、航海中指示方向的导航仪器,由于要求体积小、重量轻、精度高、工作可靠.因此是微型机电系统应用的理想领域.现在国外已有微型加速度几何微型陀螺仪的商品生产,体积和重量都很小,但尚需提高精度.由于MEMs的发展已初具基础,微型器件的发展也已达到一定水平,同时有微电子工业制造集成电路的经验可借鉴,各产业部门又有使用MEMS的要求,因此现在MEMS的发展条件已具备.4.微纳米加工技术发展趋势

微纳米加工技术是一项不断发展中的技术.新技术取代老技术,先进技术取代落后技术是客观发展规律.加工技术本身从来都只是手段,其目的是服务于科学研究或工业产品开发与生产.因此新的科研课题或新的工业产品开发会不断对加工技术提出新的要求.新的加工技术将会不断出现.5.参考文献

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