第7章電子束和離子束加工7.1電子束加工7.2離子束加工 7.1電子束加工

7.1.1電子束加工的原理及特點

1.電子束加工的原理

如圖7－1所示，電子束加工是在真空條件下，利用聚焦后能量密度極高(106～109W/cm2)的電子束，以極高的速度沖擊到工件表面極小面積上，在極短的時間（幾分之一微秒）內，其能量的大部分轉變為熱能，使被沖擊部分的工件材料達到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化和汽化，再用真空系統抽走汽化的材料的加工方法。這種利用電子束熱效應的加工稱為電子束熱加工。圖7－1電子束加工原理及設備組成電子束加工的另一種方式是利用電子束流的非熱效應。功率密度較小的電子束流和電子膠相互作用，電能轉化為化學能，產生輻射化學或物理效應，使電子膠的分子鏈被切斷或重新組合而形成分子量的變化，從而實現電子束曝光。采用這種方法，可以實現材料表面微槽或其他幾何形狀的刻蝕加工。

2.電子束加工的特點

電子束加工具有如下特點：

（1)由于電子束能夠極其微細地聚焦，甚至能聚焦到0.1μm，因此加工面積可以很小，是一種精密微細的加工方法。微型機械中的光刻技術可達到亞微米級寬度。

（2）電子束能量密度很高，使照射部分的溫度超過材料的熔化和汽化溫度，去除材料主要靠瞬時蒸發。它是一種非接觸式加工，工件不受機械力作用，不產生宏觀應力和變形。加工材料范圍很廣，對脆性、韌性、導體、非導體及半導體材料都可加工。（3）電子束的能量密度高，因而加工生產率很高。例如，每秒鐘可以在2.5mm厚的鋼板上鉆50個直徑為0.4mm的孔；厚度為200mm的鋼板，電子束可以4mm／s的速度一次焊透。

（4)可以通過磁場或電場對電子束的強度、位置、聚焦等進行直接控制，所以整個加工過程便于實現自動化。特別是在電子束曝光中，從加工位置找準到加工圖形的掃描都可實現自動化。在電子束打孔和切割時，可以通過電氣控制加工異形孔，實現曲面弧形切割等。（5）由于電子束加工是在真空中進行的，因而污染少，加工表面不氧化，特別適用于加工易氧化的金屬、合金材料以及純度要求極高的半導體材料。

（6）電子束加工需要一整套專用設備和真空系統，價格較貴，生產應用有一定局限性。7.1.2電子束加工的裝置

電子束加工裝置的基本結構如圖7－2所示，它主要由電子槍、真空系統、控制系統和電源等部分組成。圖7－2電子束加工裝置結構示意圖圖7－3電子槍

1.電子槍

電子槍是獲得電子束的裝置，它包括發射電子的陰極、控制柵極和加速的陽極等，如圖7－3所示。陰極經電流加熱發射電子，帶負電荷的電子高速飛向帶高電位的陽極，在飛向陽極的過程中，經過加速極加速，又通過電磁透鏡把電子束聚焦成很小的束斑。

發射陰極一般用鎢或鉭制成，在加熱狀態下發射大量電子。小功率時用鎢或鉭做成絲狀陰極，如圖7－3（a）所示；大功率時用鉭做成塊狀陰極，如圖7－3（b）所示。控制柵極為中間有孔的圓筒形，其上加以較陰極為負的偏壓，既能控制電子束的強弱，又有初步的聚焦作用。加速陽極通常接地，而陰極為很高的負電壓，所以能驅使電子加速。

2.真空系統

真空系統用于保證在電子束加工時維持1.33×10-2～1.33×10-4Pa的真空度。因為只有在高真空中，電子才能高速運動。此外，加工時的金屬蒸汽會影響電子發射，產生不穩定現象，因此，也需要不斷地把加工中生產的金屬蒸汽抽出去，如圖7－4所示。圖7－4抽真空系統示意圖真空系統一般由機械旋轉泵和油擴散泵或渦輪分子泵兩級組成，先用機械旋轉泵把真空室抽至1.4～0.14Pa，然后由油擴散泵或渦輪分子泵抽至0.014～0.00014Pa的高真空度。

3.控制系統

電子束加工裝置的控制系統包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流強度控制以及工作臺位移控制等。

束流聚焦控制用于提高電子束的能量密度，使電子束聚焦成很小的束斑，它基本上決定著加工點的孔徑或縫寬。聚焦方法有兩種：一是利用高壓靜電場使電子流聚焦成細束；另一是利用電磁透鏡的磁場聚焦。所謂電磁透鏡，實際上是一個電磁線圈，它通電后產生的軸向磁場與電子束中心線并行，徑向磁場與中心線垂直。根據左手定則，電子束在前進運動中切割徑向磁場時，將產生圓周運動，而在圓周運動時，在軸向磁場中將又產生一個徑向運動，所以實際上每個電子的合成運動為一個半徑愈來愈小的空間螺旋線，最終聚焦于一點。為了消除像差和獲得更細的焦點，常進行第二次聚焦。

束流位置控制用于改變電子束的方向，常用磁偏轉來控制電子束焦點的位置。如果使偏轉電壓或電流按一定程序變化，則電子束焦點便按預定的軌跡運動。為了獲得較好的經濟效益，必須根據工件材料的熔點、沸點等來選取電子束參數。例如，使脈沖能量的75％用于材料熔化，余下的25％能量使蝕除材料的5％汽化，靠汽化時的噴爆作用使熔化的材料去除，因此常在束流強度控制極上加上比陰極電位更低的負偏壓來實現束流強度控制。

工作臺位移控制用于在加工過程中控制工作臺的位置。電子束的偏轉距離只能在數毫米之內，過大將增加像差和影響線性，因此在大面積加工時需要用伺服電機控制工作臺移動，并與電子束的偏轉相配合。

4.電源

電子束加工裝置對電源電壓的穩定性要求較高，通常電源電壓波動范圍不得超過百分之幾，這是因為電子束聚焦以及陰極的發射強度與電壓波動有密切關系，所以常用穩壓設備。各種控制電壓以及加速電壓由升壓整流或超高壓直流發電機供給。7.1.3電子束加工的應用

1.高速打孔

電子束打孔已在生產中實際應用，目前最小直徑可達0.003mm左右。打孔的速度主要取決于板厚和孔徑，孔的形狀復雜時還取決于電子束掃描速度(或偏轉速度)以及工件的移動速度。通常每秒可加工幾十到幾萬個孔。例如，噴氣發動機套上的冷卻孔，機翼的吸附屏的孔，不僅孔的密度連續變化，孔數達數百萬個，而且有時還要改變孔徑，此時最宜用電子束高速打孔。高速打孔可在工件運動中進行。例如，在0.1mm厚的不銹鋼上加工直徑0.2mm的孔，速度為3000孔每秒。在人造革、塑料上用電子束打大量微孔，可使其具有如真皮革那樣的透氣性。現在生產上已出現了專用塑料打孔機，將電子槍發射的片狀電子束分成數百條小電子束同時打孔，其速度可達50000孔每秒，孔徑120～40μm可調。

電子束打孔還能加工深孔，如在葉片上打深度5mm、直徑0.4mm的孔，孔的深徑比大于10∶1。

用電子束加工玻璃、陶瓷、寶石等脆性材料時，由于在加工部位的附近有很大溫差，容易引起變形甚至破裂，因此在加工前或加工時，需用電阻爐或電子束進行預熱。采用電子束預熱零件時，加熱用的電子束稱為回火電子束。回火電子束是發散的電子束。

2.加工型孔及特殊表面

圖7－5所示為電子束加工的噴絲頭型孔截面的一些實例。出絲口的窄縫寬度為0.03～0.07mm，長度為0.80mm，噴絲板厚度為0.6mm。為了使人造纖維具有光澤、松軟有彈性、透氣性好，噴絲頭的型孔都是特殊形狀的。圖7－5電子束加工的噴絲頭異形孔電子束還可以用來切割各種復雜型面，切口寬度為6～3μm，邊緣表面粗糙度可控制在±0.5μm。

離心過濾機、造紙化工過濾設備中，鋼板上的小孔為錐孔(上小下大)，這樣可防止堵塞，并便于反沖清洗。用電子束在1mm厚不銹鋼板上打?0.13mm錐形孔，每秒可打460孔，在3mm厚的不銹鋼板上打?1mm錐形孔，每秒可打20孔。

燃燒室混氣板及某些葉片需要打不同方向的斜孔，使葉片容易散熱，從而提高發動機的輸出功率。如某種葉片需要打斜孔30000個，使用電子束加工能廉價地實現。燃氣輪機上的葉片、混氣板和蜂房消音器等三個重要部件已用電子束打孔代替電火花打孔。電子束不僅可以加工各種直的型孔和型面，而且可以加工彎孔和曲面。利用電子束在磁場中偏轉的原理，使電子束在工件內部偏轉，控制電子速度和磁場強度，即可控制曲率半徑，也就可以加工出彎曲的孔。如果同時改變電子束和工件的相對位置，就可進行切割和開槽。如圖7－6（a）所示，對長方形工件1施加磁場之后，若一面用電子束3轟擊，一面依箭頭2方向移動工件，就可獲得如實線所示的曲面。經如圖7－6（a）所示的加工后，再改變磁場極性進行加工，就可獲得如圖7－6（b）所示的工件。同樣原理，可加工出如圖7－6（c）所示的彎縫。如果工件不移動，只改變偏轉磁場的極性，則可獲得如圖7－6（d）所示的一個入口兩個出口的彎孔。圖7－6電子束加工曲面、彎孔

3.刻蝕

在微電子器件生產中，為了制造多層固體組件，可利用電子束對陶瓷或半導體材料刻出許多微細構槽和孔，如在硅片上刻出寬2.5μm、深0.25μm的細槽；在混合電路電阻的金屬鍍層上刻出40μm寬的線條。還可在加工過程中對電阻值進行測量校準，這些都可用計算機自動控制完成。

電子束刻蝕還可用于制版，如在銅制印滾筒上按色調深淺刻出許多大小與深淺不一的溝槽或凹坑，其直徑為70～120μm，深度為5～40μm，小坑代表淺色，大坑代表深色。

4.焊接

電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝。當高能量密度的電子束轟擊焊件表面時，使焊件接頭處的金屬熔融，在電子束連續不斷地轟擊下，形成一個被熔融金屬環繞著的毛細管狀的蒸汽管。如果焊件按一定速度沿著焊件接縫與電子束作相對移動，則接縫上的蒸汽管由于電子束的離開而重新凝固，使焊件的整個接縫形成一條焊縫。

由于電子束的能量密度高，焊接速度快，因此電子束焊接的焊縫深而窄，焊件熱影響區小，變形小。電子束焊接一般不用焊條，焊接過程在真空中進行，因此焊縫化學成份純凈，焊接接頭的強度往往高于母材。電子束焊接可以焊接難熔金屬，如鉭、鈮、鉬等，也可焊接鈦、鋯、鈾等化學性能活潑的金屬。對于普通碳鋼、不銹鋼、合金鋼、銅、鋁等各種金屬，也能用電子束焊接。電子束焊接可焊接很薄的工件，也可焊接幾百毫米厚的工件。

電子束焊接還能焊接用一般焊接方法難以完成的異種金屬焊接，如銅和不銹鋼的焊接，鋼和硬質合金的焊接，鉻、鎳和鉬的焊接等。由于電子束焊接對焊件的熱影響小、變形小，因此可以在工件精加工后進行。又由于它能夠實現異種金屬焊接，因此就有可能將復雜的工件分成幾個零件，這些零件可以單獨地使用最合適的材料，采用合適的方法來加工制造，最后利用電子束焊接成一個完整的工件，從而獲得理想的技術性能和顯著的經濟效益。例如，可變后掠翼飛機的中翼盒長達6.7m，壁厚12.7～57mm，鈦合金小零件可以用電子束焊接制成，共70道焊縫，僅此一項工藝就減輕飛機重量270kg；大型渦輪風扇發動機的鈦合金機匣，壁厚1.8～69.8mm，外徑2.4m，是發動機中最大、加工最復雜、成本最高的部件，采用電子束焊接后，節約了材料和工時，成本降低40％。此外，登月倉的鈹合金框架和制動引擎的64個零部件也都采用了電子束焊接。

5.熱處理

電子束熱處理也是把電子束作為熱源，但適當控制電子束的功率密度，使金屬表面加熱而不熔化，達到熱處理的目的。電子束熱處理的加熱速度和冷卻速度都很高，在相變過程中，奧氏體化時間很短，只有幾分之一秒乃至千分之一秒，奧氏體晶粒來不及長大，從而能獲得一種超細晶粒組織，可使工件獲得用常規熱處理不能達到的硬度，硬化深度可達0.3～0.8mm。

電子束熱處理與激光熱處理類同，但電子束的電熱轉換效率高，可達90％，而激光的轉換效率只有7％～10％。電子束熱處理在真空中進行，可以防止材料氧化，電子束設備的功率可以做得比激光功率大，所以電子束熱處理工藝很有發展前途。如果用電子束加熱金屬達到表面熔化，可在熔化區添加元素，使金屬表面形成一層很薄的新的合金層，從而獲得更好的機械物理性能。鑄鐵的熔化處理可以產生非常細的萊氏體結構，其優點是抗滑動磨損。鋁、鈦、鎳的各種合金幾乎全可進行添加元素處理，從而得到很好的耐磨性能。

6.電子束曝光

先利用低功率密度的電子束照射稱為電致抗蝕劑的高分子材料，由入射電子與高分子相碰撞，使分子的鏈被切斷或重新聚合而引起分子量的變化，這一步驟稱為電子束曝光，如圖7－7（a）所示。如果按規定圖形進行電子束曝光，就會在電致抗蝕劑中留下潛像。然后將它浸入適當的溶劑中，則由于分子量不同而溶解度不一樣，就會使潛像顯影，如圖7－7(b)所示。將光刻與離子束刻蝕或蒸鍍工藝結合，見圖7－7(c)、(d)，就能在金屬掩模或材料表面上制出圖形，見圖7－7(e)、(f)。圖7－7電子束曝光加工過程

(a)電子束曝光;(b)顯影;(c)蒸鍍;(d)離子刻蝕;

(e)、(f)去掉抗蝕劑，留下圖形由于可見光的波長大于0.4μm，因此曝光的分辨率小于1μm較難。用電子束曝光最佳可達到0.25μm的線條圖形分解率。

此外，還有電子束摻雜、電子束熔煉等，隨著電子束加工設備、工藝的進一步研究、應用和完善，電子束加工的應用前景將更加廣闊。 7.2離子束加工

7.2.1離子束加工的原理及特點

1.離子束加工的原理

離子束加工的原理和電子束加工的原理基本類似，也是在真空條件下，將離子源產生的離子束經過加速聚焦，使之打到工件表面。不同的是離子帶正電荷，其質量比電子大數千、數萬倍，如氬離子的質量是電子的7.2萬倍，所以一旦離子加速到較高速度時，離子束比電子束具有更大的撞擊動能，它是靠微觀的機械撞擊能量，而不是靠動能轉化為熱能來加工的。高速電子在撞擊工件材料時，因電子質量小、速度大，動能幾乎全部轉化為熱能，使工件材料局部熔化、汽化，它主要是通過熱效應進行加工的。而離子本身質量較大，速度較低，撞擊工件材料時，將產生變形、分離、破壞等機械作用。例如，加速到幾十電子伏到幾千電子伏時，主要用于離子濺射加工；如果加速到1萬到幾萬電子伏，且離子入射方向與工件表面成25°~30°，則離子可將工件表面的原子或分子撞擊出去，以實現離子銑削、離子蝕刻或離子拋光等；當加速到幾十萬電子伏或更高時，離子可穿入工件材料內部，稱為離子注入。電子束加工的物理過程是用空腔理論進行解釋的，其本質是一種熱過程，被高速轟擊的工件材料產生局部蒸發，加工是通過使蒸發進程重復進行而實現的。而離子束加工的物理過程與電子束加工不同，因離子的質量大、動量大，其物理本質更加復雜。實驗表明，離子束加工主要是一種無熱過程。當入射離子碰到工件材料時，撞擊原子、分子，由于制動作用使離子失去能量。因離子與原子之間的碰撞接近于彈性碰撞，所以離子損失的能量傳遞給原子、分子，其中一部分能量使工件材料產生濺射、拋出，其余能量轉變為材料晶格的振動能。

2.離子束加工的特點

離子束加工具有如下特點：

（1)由于離子束可以通過電子光學系統進行聚能掃描，離子束轟擊材料是逐層去除原子的，且離子束流密度及離子能量可以精確控制，因此離子刻蝕可以達到毫微米(0.001μm)級的加工精度，離子鍍膜可以控制在亞微米級精度，離子注入的深度和濃度也可極精確地控制。所以說，離子束加工是所有特種加工方法中最精密、最微細的加工方法，是當代毫微米加工技術的基礎。（2)由于離子束加工是在高真空中進行的，因此污染少，特別適用于對易氧化的金屬、合金材料和高純度半導體材料的加工。

（3)離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實現的，它是一種微觀作用，宏觀壓力很小，所以加工應力、熱變形等極小，加工質量高，適合于對各種材料和低剛度零件的加工。

（4)離子束加工設備費用貴、成本高、加工效率低，因此應用范圍受到一定限制。7.2.2離子束加工的裝置

離子束加工裝置與電子束加工裝置類似，它也包括離子源、真空系統、控制系統和電源等部分。主要的不同部分是離子源系統。

離子源用以產生離子束流。產生離子束流的基本原理和方法是使離子電離。具體方法是把要電離的氣態原子(惰性氣體或金屬蒸汽)注入電離室，經高頻放電、電弧放電、等離子體放電或電子轟擊，使氣態原子電離為等離子體。等離子體是多種離子的集合體，其中有帶電粒子和不帶電粒子，在宏觀上呈電中性。采用一個相對于等離子體為負電位的電極(吸極)，將離子由等離子體中引出而形成離子束流，而后使其加速射向工件或靶材。離子源的基本要求有：

（1)帶離子束成型裝置的離子源給出的連續束或脈沖束的束流強度應能達到所要求的大小。

（2)離子源給出的離子成份應純凈、無污染，并能達到規定的離子平均能量和最小離子速度，即離子速度差越小越好。

（3)離子源的效率要高，應在最低工作物質消耗率之下獲得所需要的離子束流強度。

（4)離子源的工作應穩定可靠，應壽命長、結構簡單、維修方便等。7.2.3離子束加工的應用

離子束加工的應用范圍正在日益擴大、不斷創新。目前用于改變零件尺寸和表面機械物理性能的離子束加工有離子刻蝕加工、離子鍍膜加工、離子注入加工等，如圖7－8所示。圖7－8各類離子束加工示意圖

（a）離子刻蝕；（b）離子濺射沉積；

（c）離子鍍；（d）離子注入

1.離子刻蝕加工

離子刻蝕是通過用能量為0.5～5keV的離子轟擊工件，使工件材料原子從工件表面去除的工藝過程，它是一個撞擊濺射過程。當離子束轟擊工件時，入射離子的動量傳遞到工件表面原子，傳遞的能量超過了原子間的鍵合力時，靶原子就從工件表面撞擊濺射出來，從而達到刻蝕的目的。為了避免入射離子與工件材料發生化學反應，必須用惰性元素的原子。氬氣的原子序數高，而且價格便宜，所以通常用氬離子進行轟擊刻蝕。由于離子直徑很小(約十分之幾納米），可以認為離子刻蝕的過程是逐個原子剝離的，刻蝕的分辨率可達微米甚至亞微米級，但刻蝕速度很低，剝離速度大約每秒一層到幾十層原子。因此，離子刻蝕是一種原子尺度的切削加工，又稱離子銑削。表7－1列出了一些材料的典型刻蝕率。表7－1一些材料的典型刻蝕率刻蝕加工時，對離子入射能量、束流大小、離子入射到工件上的角度以及工作室氣壓等能分別調節控制，根據不同加工需要選擇參數。用氬離子轟擊被加工表面時，其效率取決于離子能量和入射角度。離子能量從100eV增加到1000eV時，刻蝕率隨能量增加而迅速增加，而后增加速率逐漸減慢。離子刻蝕率隨入射角θ增加而增加，但入射角增大會使表面有效束流減小。一般入射角θ=40°～60°時刻蝕效率最高。目前，離子束刻蝕在高精度加工、表面拋光、圖形刻蝕、電鏡試樣制備、石英晶體振蕩器以及各種傳感器件的制作等方面應用較為廣泛。離子束刻蝕加工可達到很高的分辨率，適于刻蝕精細圖形，實現高精度加工。離子束刻蝕加工小孔的優點是孔壁光滑，鄰近區域不產生應力和損傷，而且能加工出任意形狀的小孔。

離子刻蝕用于加工陀螺儀空氣軸承和動壓馬達上的溝槽，其分辨率高、精度高、重復一致性好。另外，它加工非球面透鏡能達到其他方法不能達到的精度。離子束刻蝕應用的另一個方面是刻蝕高精度的圖形，如集成電路、聲波表面器件、磁泡器件、光電器件和光集成器件等微電子學器件亞微米圖形的離子束刻蝕。

由波導、耦合器和調制器等小型光學元件組成可觸發的光路稱為集成光路。離子束刻蝕已用于制造和控制集成光路中的光照和波導。

用離子轟擊已被機械磨光的玻璃時，玻璃表面1μm左右被剝離并形成極光滑的表面。用離子束轟擊厚度為0.2mm的玻璃，能改變其折射率分布，使之具有偏光作用。玻璃纖維用離子轟擊后，變為具有不同折射率的光導材料。離子束加工還能使太陽能電池表面具有非反射紋理表面。離子束刻蝕還用來致薄材料，例如，用于致薄石英晶體振蕩器和壓電傳感器。致薄探測器的探頭可以大大提高其靈敏度，如國內已用離子束加工出厚度為40μm，并且自己支撐的高靈敏探測器頭。離子束刻蝕還用于致薄樣品，以進行表面分析，如用離子束刻蝕可以致薄月球巖石樣品，從10μm致薄到10nm。離子束刻蝕還能在10nm厚的Au-Pa膜上刻出8nm的線條。

2.鍍膜加工

離子鍍膜加工有濺射鍍膜和離子鍍兩種。

1)離子濺射鍍膜

離子濺射鍍膜是基于離子濺射效應的一種鍍膜工藝，不同的濺射技術，所采用的放電方式是不同的。例如，直流二極濺射利用直流輝光放電，三極濺射利用熱陰極支持的輝光放電，而磁控濺射則是利用環狀磁場控制下的輝光放電。其中，直流二極濺射和三極濺射這兩種方式由于生產率低、等離子體區不均勻等原因，難以在實際生產中大量應用，而磁控濺射具有高速、低溫、低損耗等優點，鍍膜速度快，基片溫升小，沒有高能電子轟擊基片所造成的損傷，故其實際應用更為廣泛。離子濺射鍍膜工藝適用于合金膜和化合物膜等的鍍制。在各種鍍膜技術中，濺射鍍膜最適合于鍍制合金膜。具體方法有三種：多靶濺射、鑲嵌靶濺射和合金靶濺射。這些方法均采用直流濺射，且只適合于導電的靶材。化合物膜通常是指由金屬元素的化合物鍍成的薄膜。鍍膜方法包括直流濺射、射頻濺射和反應濺射等三種。離子濺射鍍膜的應用舉例如下：

（1）用磁控濺射在高速鋼刀具上鍍氮化鈦(TiN)硬質膜，可以顯著提高刀具的壽命。由于氮化鈦具有良好的導電性，可以采用直流濺射，直流磁控濺射的鍍膜速率可達300nm／min。鍍膜過程中，氮化鈦膜的色澤逐漸由金屬光澤變成明亮的金黃色。（2）在齒輪的齒面和軸承上可以采用離子濺射鍍制二硫化鉬(MoS2)潤滑膜，其厚度為0.2～0.6μm，摩擦因數為0.04。濺射時，采用直流濺射或射頻濺射，靶材用二硫化鉬粉末壓制成型。但為得到晶態薄膜，必須嚴格控制工藝參數。

離子濺射還可用以制造薄壁零件，其最大特點是不受材料限制，可以制成陶瓷和多元合金的薄壁零件。例如，某零件是直徑為15mm的管件，壁厚63.5μm，材料為10元合金，其成份(質量分數)為Fe－Ni42％、Cr5.4％、Ti2.4％、Al0.65％、Si0.5%、Mn0.4％、Cu0.05％、C0.02％、S0.008％。先用鋁棒車成芯軸，而后鍍膜。鍍膜后，用氫氧化鈉水溶液將鋁芯全部溶蝕，即可取下零件。或用不銹鋼芯軸表面加以氧化，濺射成膜后，用噴丸方法或者液態冷卻方法使之與芯軸脫離。

2）離子鍍

離子鍍是在真空蒸鍍和濺射鍍膜的基礎上發展起來的一種鍍膜技術。此時工件不僅接受靶材濺射來的原子，還同時受到離子的轟擊，這使離子鍍具有許多獨特的優點。

離子鍍膜附著力強、膜層不易脫落。這首先是因為鍍膜前離子以足夠高的動能沖擊基體表面。清洗掉表面的臟污和氧化物，從而可提高工件表面的附著力。其次是因為鍍膜剛開始時，由工件表面濺射出來的基材原子，有一部分會與工件周圍氣氛中的原子和離子發生碰撞而返回工件。這些返回工件的原子與鍍膜的膜材原子同時到達工件表面，形成了膜材原子和基材原子的共混膜層。而后，隨膜層的增厚，逐漸過渡到單純由膜材原子構成的膜層。這種混合過渡層的存在，可以減少由于膜材與基材兩者膨脹系數不同而產生的熱應力，增強了兩者的結合力，使膜層不易脫落。離子鍍鍍層的組織致密，針孔氣泡少。用離子鍍的方法對工件鍍膜時，其繞射性好，使基板的所有暴露的表面均能被鍍覆。這是因為蒸發物質或氣體在等離子區離解而成為正離子，這些正離子能隨電力線而終止在負偏壓基片的所有邊緣。

離子鍍的可鍍材料廣泛，可在金屬或非金屬表面上鍍制金屬或非金屬材料。各種合金、化合物，某些合成材料、半導體材料、高熔點材料均可鍍覆。

離子鍍技術已用于鍍制潤滑膜、耐熱膜、耐蝕膜、耐磨膜、裝飾膜和電氣膜等。用離子鍍方法在切削工具表面鍍氮化鈦、碳化鈦等硬質材料，可以提高刀具的耐用度。試驗表明，在高速鋼刀具上用離子鍍鍍氮化鈦后，刀具耐用度可提高1～2倍；鍍碳化鈦后，刀具耐用度可提高3～8倍。而硬質合金刀具用離子鍍鍍上一層氮化鈦或碳化鈦，刀具耐用度可提高2～10倍。

離子鍍可以得到鎢、鉬、鉭、鈮、鈹以及氧化鋁等的耐熱膜。如在不銹鋼上鍍一層氧化鋁，可提高基體在980℃介質中的抗熱循環和抗蝕能力。在適當的基體上鍍一層ADT－1合金，能具有良好的抗高溫氧化和抗蝕性能。這種膜可用作航空渦輪葉片型面、榫頭和葉冠等部位的保護層。在表殼或表帶上鍍氮化鈦膜，這種氮化鈦膜呈金黃色，它的反射率與18K金鍍膜相近，其耐磨性和耐腐蝕性大大優于鍍金膜和不銹鋼，其價格僅為黃金的1／60。離子鍍裝飾膜還用于工藝美術品首飾、景泰藍以及金筆套、餐具等的修飾上，其膜原僅為1.5~2μm。

離子鍍膜代替鍍鉻硬膜，可減少鍍鉻公害。2~3μm厚的氮化鈦膜可代替20~25μm的硬鉻膜。航空工業中可采用離子鍍鋁代替飛機部件鍍鎘。

離子鍍的種類有很多，常用的離子鍍是以蒸發鍍膜為基礎的，即在真空中使被蒸發物質汽化，在氣體離子或被蒸發物質離子沖擊作用的同時，把蒸發物蒸鍍在基體上。

3.離子注入加工

離子注入是將工件放在離子注入機的真空靶中，在幾十至幾百千伏的電壓下，把所需元素的離子注入工件表面。離子注入工藝比較簡單，它不受熱力學限制，可以注入任何離子，而且注入量可以精確控制。注入離子融在工件材料中，含量可達10％~40％，注入深度可達1μm甚至更深。

由于離子注入本身是一種非平衡技術，它能在材料表面注入互不相溶的