利用高能量密度的電子束對(duì)材料進(jìn)行工藝處理的一切方法統(tǒng)稱為電子束加工。包括電子束焊接、打孔、表面處理、熔煉、鍍膜、物理氣相沉積、雕刻、銑切、切割以及電子束曝光等。其中以電子束焊接、打孔、物理氣相沉積，以及電子束表面處理等在工業(yè)上的應(yīng)用最為廣泛。隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，它已用于大批量生產(chǎn)、大型零件制造以及復(fù)雜零件的加工，尤其是在表面工程應(yīng)用等方面都顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。

電子束加工作為一種特種加工方法，其機(jī)理是利用電子束的能量對(duì)材料進(jìn)行加工，是一種完全不同于傳統(tǒng)機(jī)械加工的新工藝。

電子束加工工藝按其對(duì)材料的作用原理，可以分為兩大類。

1、電子束熱效應(yīng)

電子束熱效應(yīng)是將電子束的動(dòng)能在材料表面轉(zhuǎn)化成熱能以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)備一般都采用微機(jī)控制，并且常為一機(jī)多用;

②電子束焊接與其他電子束加工設(shè)備不同之處在于，除高真空電子束焊機(jī)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(zhì)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(duì)離子注人后半導(dǎo)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。

高能量密度電子束由電子槍產(chǎn)生，電子槍的陰極發(fā)射出電子，并匯聚成電子束，在電子槍的加速電場(chǎng)(通常由15-175kV的直流高壓形成)作用下，電子的速度被提高到接近或達(dá)到光速的一半，因而具有很高的動(dòng)能。電子束再經(jīng)電磁透鏡的聚束作用，匯聚成為更細(xì)的束流。

束斑直徑為數(shù)微米至1mm，而在某些應(yīng)用場(chǎng)合，束斑直徑可小至幾十個(gè)納米，因此，其能量非常集中。電子束的功率密度(即單位時(shí)間內(nèi)輸人單位面積材料中的能量)可高達(dá)107W/mm2。

當(dāng)電子束轟擊材料時(shí)，其能量大部分轉(zhuǎn)化成熱能，使材料局部區(qū)域溫度急劇上升并且熔化，甚至氣化而被去除，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的加工或表面處理。

2、電子束化學(xué)效應(yīng)

電子束化學(xué)效應(yīng)是利用電子束代替常規(guī)的紫外線照射抗蝕劑以實(shí)現(xiàn)曝光，其中包括:

①掃描電子束曝光，用電子束按所需的圖形，以微機(jī)控制進(jìn)行掃描曝光。其特點(diǎn)是圖形變換的靈活性好，分辨率高;

②投影電子束曝光，這是一種大面積曝光法，由光電陰極產(chǎn)生大面積平行束進(jìn)行曝光，其特點(diǎn)是效率高，但分辨率較差;

③軟X射線曝光，軟X射線由電子束產(chǎn)生，是1種間接利用電子束的投影曝光法。

電子束曝光利用電子束對(duì)電致抗蝕劑產(chǎn)生化學(xué)作用，因此，電子束的能量應(yīng)能使材料曝光而又不產(chǎn)生熔化或熱變形，否則，會(huì)影響曝光精度，甚至導(dǎo)致工件報(bào)廢。

電子束加工具有如下特點(diǎn):

1、由于電子束能夠極其微細(xì)地聚焦，是1種精密微細(xì)加工方法。

2、電子束能量密度很高，足以使被轟擊的任何材料迅速熔化或氣化，易于對(duì)鎢、鑰或其他難熔金屬及其合金進(jìn)行加工。用電子束可以對(duì)某些熔點(diǎn)較高、導(dǎo)熱較差的非金屬材料，如石英和陶瓷進(jìn)行打孔或焊接。

3、電子束能量密度高，因而加工生產(chǎn)率很高。

4、電子束加工速度快，加工點(diǎn)向基體散失的熱量少，工件熱變形小;電子束本身不產(chǎn)生機(jī)械力，無(wú)機(jī)械變形問(wèn)題。這些優(yōu)異性能，對(duì)于打孔、焊接和零件的局部熱處理來(lái)說(shuō)，尤為重要。

5、電子束能量和能量密度的調(diào)節(jié)很容易通過(guò)調(diào)節(jié)加速電壓、電子束流和電子束的匯聚狀態(tài)來(lái)完成，整個(gè)過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

6、電子束加工是在真空條件下進(jìn)行的，既不產(chǎn)生粉塵，也不排放有害氣體和廢液，對(duì)環(huán)境幾乎不造成污染，加工表面不產(chǎn)生氧化，特別適合于加工易氧化的金屬及合金材料，以及純度要求極高的半導(dǎo)體材料。

7、電子束可將90%以上的電能轉(zhuǎn)換成熱能。此外，電子束的能量集中，損失較小。

8、電子轟擊材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生X射線，并且電子束加工需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格昂貴，因此，在生產(chǎn)和應(yīng)用上有一定的局限性。

1、電子束焊接

電子束焊接具有焊縫深寬比大，焊接速度快，工件熱變形小，焊縫物理性能好，工藝適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且能改善接頭機(jī)械性能、減少缺陷、保證焊接穩(wěn)定性和重復(fù)性，因而具有極為廣闊的應(yīng)用前景。

電子束焊接的加工范圍極為廣泛，尤其在焊接大型鋁合金零件中，電子束焊接工藝具有極大的優(yōu)勢(shì)，并且可用于不同金屬之間的連接。

西歐采用電子束代替過(guò)去的氫弧焊焊接大型鋁合金筒體，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)得到了性能良好的焊接接頭。美國(guó)和日本均采用電子束焊接工藝加工發(fā)電廠汽輪機(jī)的定子部件。美國(guó)近年來(lái)還在大型飛機(jī)制造中廣泛應(yīng)用電子束焊接工藝。

2、電子束物理氣相沉積(EB-PVD)技術(shù)

電子束物理氣相沉積(EB-PVD)是利用高速運(yùn)動(dòng)的電子轟擊沉積材料表面，使材料升溫變成蒸氣而凝聚在基體材料表面的1種表面加工工藝。根據(jù)該工藝沉積材料的性質(zhì)，可以使涂層具有優(yōu)良的隔熱、耐磨、耐腐蝕和耐沖刷性能，從而對(duì)基體材料有一定的保護(hù)作用，因此，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶和冶金等工業(yè)領(lǐng)域。

由于電子束的產(chǎn)生和傳輸都是在真空室中進(jìn)行(電子槍和工作室處于真空)，電子束物理氣相沉積也是在真空中進(jìn)行，因此，可以防止涂層的污染和氧化。具有柱狀結(jié)構(gòu)的涂層在高溫條件下抗剝落的能力較高。

在控制工藝條件的前提下，可以使涂層與蒸發(fā)材料中的相和元素含量保持一致，這是電子束物理氣相沉積的一大優(yōu)點(diǎn)。而且它還可以蒸發(fā)易揮發(fā)的材料，例如鋁。

EB-PVD主要應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片熱障涂層，涂層厚度最大可達(dá)300μm，涂層顯微結(jié)構(gòu)明顯有利于抗熱震性，涂層無(wú)需后續(xù)加工，空氣動(dòng)力學(xué)性能明顯優(yōu)于等離子涂層，因此涂層壽命大大高于等離子噴涂涂層壽命。

目前，EB-PVD還可用于結(jié)構(gòu)涂層，例如葉片和反射鏡的冷卻槽等也可采用EB-PVD方法加工，刀具、帶材、醫(yī)用手術(shù)刀、耳機(jī)保護(hù)膜、射線靶子及材料提純均可用EB-PVD方法進(jìn)行表面處理。

3、電子束表面改性技術(shù)

利用電子束的加熱和熔化技術(shù)還可以對(duì)材料進(jìn)行表面改性。例如，電子束表面淬火、電子束表面熔凝、電子束表面合金化、電子束表面熔覆和制造表面非晶態(tài)層。經(jīng)表面改性的表層一般具有較高的硬度、強(qiáng)度以及優(yōu)良的耐腐蝕和耐磨性能。

電子束表面改性的特點(diǎn)如下:

①快速加熱淬火可以得到超微細(xì)組織，提高材料的強(qiáng)韌性;

②處理過(guò)程在真空中進(jìn)行，減少了氧化等影響，可以獲得純凈的表面強(qiáng)化層;

③能進(jìn)行快速表面合金化，在極短時(shí)間內(nèi)取得熱處理幾小時(shí)甚至幾十小時(shí)的滲層效果;

④電子束的能量利用率較高，可以對(duì)材料進(jìn)行局部處理，是一種節(jié)能型的表面強(qiáng)化手段;

⑤表面淬火是自行冷卻，無(wú)需冷卻介質(zhì)和設(shè)備;

⑥能對(duì)復(fù)雜零件的表面進(jìn)行處理，用途廣泛;

⑦電子束功率參數(shù)可控，因此，可以控制材料表面改性的位置、深度和性能指標(biāo)。

4、電子束打孔

電子束打孔具有如下優(yōu)點(diǎn):能加工各種孔，包括異形孔、斜孔、錐孔和彎孔;生產(chǎn)效率高;加工材料范圍廣;加工質(zhì)量好，無(wú)毛刺和再鑄層等缺陷。

電子束打孔在國(guó)外已被廣泛應(yīng)用于航空、核工業(yè)以及電子、化學(xué)等工業(yè)。如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片及其他零件的冷卻孔，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室頭部及燃?xì)鉁u輪，化纖噴絲頭和電子電路印刷板等。