铝的电子束抛光的制作方法

铝的电子束抛光的制作方法
【专利摘要】本发明公开了使用多种机加工工艺来形成铝基板上的高度抛光的表面的方法。在该机加工工艺期间，金属间化合物通常由在该切割工艺期间在铝基板的切削刃和切割尖端之间所产生的局部加热所致而在铝基板的顶表面区域处产生。由于金属间化合物从该顶表面剥落，在常规的机械抛光操作之后，金属间化合物可能留下表面缺陷，使得该铝基板的表面难以获得所期望的高光泽度。为了去除该金属间化合物的影响，将电子束施加至该表面，引起焦耳加热以熔化顶表面区域。这样，即可消除任何模具痕迹和金属间化合物。
【专利说明】铝的电子束抛光 【背景技术】 【技术领域】
[0001] 所述的实施例整体涉及金属的表面处理。具体地，描述了铝基板的电子束抛光。
[0002] 相关技术
[0003] 在一些情况下，挤制铝块需要施加机加工工艺以实现更接近地类似于所期望几何 形状的形状。在该机加工工艺期间，金属间化合物通常由在该机加工工艺期间在铝块的切 削刃和切割尖端之间所产生的局部加热所致而产生在铝块的顶表面区域处。金属间化合物 可能使得在常规的抛光之后遗留下表面缺陷（称为"桔皮"）。由于在机械抛光操作期间金 属间化合物从顶表面剥落，因此这些桔皮使得铝块的表面难以抛光成期望的高光泽度以及 韦先床表面。
[0004] 因此，期望一种用于以高效的制造方式来抛光铝部件的技术。
【发明内容】

[0005] 该文章描述了涉及用于铝的非机械抛光的方法、装置、以及计算机可读介质的各 种实施例。
[0006] 在第一实施例中，一种抛光铝部件的表面的方法，至少包括以下步骤：（1)通过酸 蚀刻铝部件来对该铝部件进行化学预处理；以及（2)通过电子束对该铝部件的经酸蚀刻的 表面进行电子束处理。该电子束处理通过以下来表征：该电子束的加速电压介于约10kV和 25kV之间，电子束脉冲持续时间介于约50微秒和150微秒之间，并且电子束脉冲频率介于 约1Hz和10Hz之间。该电子束处理还包括利用该电子束来扫描该铝部件的表面部分。该 铝部件的表面的所产生的表面熔体消除了基本上所有的金属间化合物并且基本上扩大了 该铝部件的表面的晶界。
[0007] 在另一个实施例中，公开了一种被配置为抛光铝部件的电子束抛光机。该电子束 抛光机至少包括以下装置：（1)电子束发射器；（2)真空室；和（3)夹具，该夹具被配置为在 至少两个轴上平移该铝部件。该电子束发射器被配置为在电子束抛光操作期间以介于约 10kV和25kV之间的加速电压、介于约50微秒和150微秒之间的脉冲持续时间、以及介于 约1Hz和10Hz之间的脉冲频率进行操作。该铝部件的平移使得所发射的电子束在铝部件 的表面上扫描，使得该铝部件的表面产生表面熔体，从而消除了基本上所有的金属间化合 物并且基本上扩大了该铝部件的该表面的晶界。
[0008] 在另一个实施例中，公开了一种用于抛光铝部件的抛光组件。该抛光组件至少包 括以下装置：（1)用于对该铝部件进行酸蚀刻的装置；（2)用于利用一组工作参数来配置电 子束的装置，该工作参数包括介于约10kV和25kV之间的加速电压、介于约50微秒和150 微秒之间的脉冲持续时间、以及介于约1Hz和10Hz之间的脉冲频率；（3)用于激发该电子 束的装置；和（4)用于通过该电子束来操纵铝部件使得该电子束扫描铝部件的基本上整个 表面的装置。 【专利附图】

【附图说明】
[0009] 所述实施例通过下面结合附图的具体描述将更易于理解，其中类似的附图标记表 示类似的结构元件，并且其中：
[0010] 图1A示出了在钛合金板旁边经表面机加工的挤制铝部件；
[0011] 图1B示出了具有布置于其中的多个铝部件并且由铁丝网覆盖的钛合金板；
[0012] 图1C示出了加载有铝部件并且放置在板夹持器内的钛合金板；
[0013] 图1D示出了插入板夹持器中的多个钛板；
[0014] 图2示出了用于对布置在板夹持器内的铝部件进行酸蚀刻的过程；
[0015] 图3A示出了在对其施加了表面模具之后但在酸蚀刻工艺之前的挤制铝基板的一 个横截面的表面轮廓的线形图；
[0016] 图3B示出了在对铝基板施加约8分钟的电离处理之后对该铝基板的表面轮廓的 影响的线形图；
[0017] 图3C示出了在对铝基板施加约15分钟的电离处理之后对该铝基板的表面轮廓的 影响的线形图；
[0018] 图4示出了电子束抛光机的框图；
[0019]图5示出了适用于保持薄型铝外壳的形状的热输送固定装置的横截面侧视图；
[0020] 图6示出了电子束抛光机的一个实施例的透视图；
[0021] 图7A示出了被配置为在电子束抛光操作期间操纵铝部件的夹具的透视图；
[0022] 图7B示出了夹具紧固件的特写透视图；
[0023] 图8A- 8C示出了通过旋转轴来旋转铝部件的夹具紧固件的侧视图；
[0024] 图9示出了在电子束抛光操作之前和之后的铝基板的基于EPMA的顶表面视图和 侧剖视图；
[0025] 图10A示出了在电子束抛光操作之前的经机加工的铝基板的横截面侧视图；
[0026] 图10B示出了在电子束抛光操作之后的经机加工的铝基板的横截面侧视图；
[0027] 图11A- 11B示出了用于抛光铝的电子束抛光机的参数图；
[0028] 图12示出了描述挤制铝部件的形成和抛光工艺的高级框图；以及
[0029] 图13示出了能够与所述实施例一起使用的电子设备。 【具体实施方式】
[0030] 在本章节描述了根据本专利申请的方法和装置的代表性应用。提供这些实例的目 的仅是为了添加上下文并有助于理解所述实施例。因此，对于本领域的技术人员而言将显 而易见的是，可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践所述实施例。在其他情 况下，为了避免不必要地模糊所述实施例，未详细描述熟知的工序。其他应用也是可能的， 使得以下实例不应视为限制性的。
[0031] 在以下详细描述中，参考了形成说明书的一部分的附图，在附图中以举例说明的 方式示出了根据所述实施例的具体实施例。虽然这些实施例描述得足够详细以使得本领域 的技术人员能够实践所述实施例，但应当理解，这些实例不是限制性的；使得可使用其他实 施例，并且可在不脱离所述实施例的实质和范围的情况下做出改变。
[0032] 在某些情况下，可将挤制铝部件形成与经修整部件的几何形状紧密匹配的形状。 遗憾的是，挤制工艺通常导致超过最大深度的表面切削和裂纹，在单独进行抛光和表面修 整的情况下无法完全去除此类缺陷。工业中的标准操作是对稍大于期望尺寸的块体进行挤 制使得机加工工艺能够施加以有效地去除铝部件中的大的缺陷。表面机加工工艺可包括将 特征结构机加工到铝部件诸如圆角的表面中。作为另外一种选择，还可通过例如砂磨操作 在修整操作中的较后的时间点处使角变圆。尽管机加工工艺易于降低在铝部件的表面中的 较大缺陷或凹坑的发生率，但机加工工艺仍可能留下可对抛光造成问题的显著的脊线和模 具线。在这种情况下，可引入酸浴工艺，在该酸浴工艺中去除或基本上减少了机加工人工痕 迹诸如脊线或凹坑。酸浴对于去除已形成于铝上方的任何氧化物层也可以是有效的。当酸 浴使该部件的整个表面变平滑时，作为表面机加工工艺的结果，许多金属间化合物仍能够 保持嵌入在该铝部件的表面中。在表面机加工工艺期间，金属间化合物通常由在该切割工 艺期间在铝部件的切削刃和切割尖端之间所产生的局部加热所致而产生在铝基板的顶表 面区域处。金属间化合物通常沿铝铁合金诸如Al3Fex而形成。在一些情况下，金属间化合 物中还可存在微量的硅氧烷。金属间化合物往往具有小晶粒并且还往往包括许多不同的合 金，从而导致沿铝部件的外表面部分可包括广为不同材料属性的表面部分。因此，由于这些 不同的材料属性，对铝部件进行表面处理可能非常困难。常规的机加工操作可导致在机械 抛光操作期间易于脱落或剥落的表面缺陷（有时称为桔皮）的形成。可使用相对宽束的电 子束抛光工艺来溶解或蒸发位于铝部件的表面的10-20微米内的金属间化合物。这样，沿 铝部件的表面可形成均质表面，使得后续的抛光或磨光更易于实现。
[0033] 在一个实施例中，可利用化学蚀刻工艺。该化学蚀刻工艺涉及将铝部件插入到酸 浴中。酸浴可具有去除表面人工痕迹（诸如毛边）和表面氧化物的效果。在一个特定的布 置中，酸浴工艺可包括在由钛、石墨或软钢所形成的板中支撑多个铝部件。然后可在约60°C 到约75°C的温度将该板（以及其中的部件）浸没到包括磷酸（H3P04:66-71重量％ )和硝 酸（HN03:5-9重量％ )的溶液的酸浴中。铝部件和金属合金笼架之间的电偶电位差异电压 在该铝部件的一部分上产生电子集中，该铝部件的一部分然后通过将该酸浴中的金属合金 笼架夹持器振动约5和15分钟之间而溶解在混合酸中。由于化学蚀刻工艺本质上是非机 械的，因此其并不易于引起通常与金属间化合物和机械抛光相关联的桔皮过程。在一些应 用中，化学蚀刻工艺可提供足够光滑的表面处理以停止另外的表面修整操作。在这种情况 下，在化学蚀刻工艺之后可将保护层诸如阳极化层施加到经抛光的铝表面。
[0034]在另一个实施例中，在化学蚀刻步骤之后可执行电子束抛光步骤。虽然已将电子 束用于抛光钢和钛合金，但它们先前尚未用于抛光铝。被配置为抛光钛和钢的电子束通常 具有约0? 5mm的直径，而在抛光铝的情况下发现部分地由于铝的柔软性而介于约20mm和 30_之间的直径更为合适。在许多情况下，还需要另外的冷却来使铝免于过度受热。一种 此类情况是当铝壳体需要机加工时。在这种情况下，需要水冷式换热器以避免由电子束形 成的热积聚所导致的壳体变形。电子束通过在铝部件的表面上扫描来实现其抛光步骤。在 其扫描期间，电子束将该铝部件的表面加热至足以使嵌入该铝部件的表面内的金属间化合 物蒸发或耗散的温度。这样，可形成不含金属间化合物的基本上均质的表面直至约10-20 微米的深度。电子束还能够影响偏轴表面；然而，在约30度处性能迅速下降。通过在电子 束工序期间将铝部件附接至夹具，铝部件的各个表面可在抛光工艺期间重新朝向该电子束 取向，从而允许该铝部件的多个表面在任何给定时间被电子束抛光。此外，偏轴射束性能还 允许以明显的曲率对表面进行抛光。在一组试验中，仅需要约1分钟的暴露来适当地抛光 一批铝部件。在电子束抛光操作完成之后，由于金属间化合物已从铝部件的表面去除，因此 可发起机械磨光和抛光操作。这允许铝部件的表面获得高光泽度和铣床表面。
[0035] 以下参照图1A-13对这些实施例和其他实施例进行论述；然而，本领域的技术人 员将容易地理解，本文相对于这些附图的所给出的详细描述仅出于说明性目的并且不应理 解为限制性的。
[0036] 图1A- 1D示出了在酸蚀刻操作之前将大批的铝部件加载到板夹持器中的过程。 酸蚀刻操作可具有去除诸如毛边和表面氧化物之类的表面人工痕迹的效果。在图1A中，经 表面机加工的挤制铝部件102在钛合金板104旁边示出。如图所示，钛合金板104可包括 设置在钛合金板104的底表面的多个穿孔106,从而在酸蚀刻操作期间允许流体更易于触 及铝部件102。在一些实施例中可将铝部件102镂空，而在其他实施例中该铝部件可为实心 铝部件。应当指出的是，在一些另选的实施例中，钛合金板104可由软钢或低碳钢构成，而 不是由钛合金构成。如图1B所示，钛合金板104可支撑多个铝部件102。在一个实施例中， 如图所示，钛合金板104可包括贯穿铝部件102的下表面和/或上表面的铁（Fe)丝108的 网。铁丝108可通过协助将铝去除集中在沿铝部件的表面部分的突起上来提高酸蚀刻工艺 的性能。在一些实施例中，如图所示仅采用平行铁丝，而在其他实施例中，可采用坚直和水 平延伸的铁丝106的矩阵，从而最小化铝部件102的表面部分和铁丝106之间的距离。图 1C描述了放置在板夹持器110中的经加载的钛合金板104。板夹持器110可包括设置在板 夹持器110周围的流体进入开口 112,从而便于流体进入和流出板夹持器110。在图1C中 还示出了沿夹持器110的两个相对侧进行布置的板支撑架114。板支撑架114允许多个钛 合金板104方便地插入板夹持器110并从该板夹持器去除。图1D示出了插入板夹持器110 中的多个钛合金板104。这就允许在单个酸蚀刻工艺期间对大量钛合金板104乃至随之而 来的大量铝部件102进行同时处理，从而允许该酸蚀刻工艺成为高效的工艺。
[0037] 图2示出了酸蚀刻工艺200。在第一步骤210中，如参考图1A-1D所述，用多个钛 合金板104来填充板夹持器110。在第一步骤220中，用混合酸浴来填充酸蚀刻槽222,该 酸浴包括以下酸：磷酸（H3P04:66-71重量％ );和硝酸（HN03:5-9重量％ )。将酸浴温度设 定在约60°C和75°C之间。一系列换热器224可在将板夹持器110放置在酸蚀刻槽222内 之前用于设定酸浴的温度，使得酸蚀刻工艺的所有部分可在固定温度进行。一旦达到酸浴 的工作温度，就将板夹持器110放置在酸蚀刻槽222中。酸蚀刻槽222可为充分适于避免 酸蚀刻槽222的内表面的腐蚀的双壁槽。酸蚀刻槽222还可包括搅拌器或搅拌轮，该搅拌 器或搅拌轮被设计为搅拌酸蚀刻槽222内的酸，使酸循环通过酸蚀刻槽222的各个部分。 酸蚀刻槽222还包括用于在铝部件102和铁丝106 (未示出）之间形成运动的机械振动装 置。振动有利于在未从电源施加如更常规电抛光操作通常所需的任何电流的情况下产生固 态电极电位差异。在铝和钛合金之间产生约〇. 8V的电压的反应期间，钛合金板104充当阳 极，而铝部件102充当阴极。这样，电子集中在沿铝部件102的表面部分发现的凸形表面突 起上形成，该凸形表面突起随后在混合酸浴中溶解。实际的化学反应依照以下过程来进行。
[0038] 铝部件暴露在混合酸浴内的硝酸中使得铝的氧化根据公式1进行氧化：
[0039]公式 1 :2A1+6HN03 -A1203+3H20+6N02
[0040] 在氧化铝层形成之后，磷酸使氧化铝（A1203)溶解。当铝块102浸没在混合酸浴中 时，氧化和溶解的循环继续进行；然而，由于在铝块102和钛合金板104之间存在0. 8V的自 然电偶电位差异电压，如前所述，从铝块102的表面去除沿凸形突起集中的电子，导致对受 影响的表面进行基本的抛光。当与更为常规的电抛光工艺进行比较时，此类自然电抛光工 艺能够产生铝的更均质的表面光洁度。在更为常规的电抛光工艺中，外加电流可能无意间 非均匀地集中，导致不期望的表面变型。可进行酸蚀刻步骤220介于约5分钟和25分钟之 间。在该时间期间，电子集中可从铝部件102的表面部分去除。量变曲线归一化结果在图 3A-3C中进一步详述。在步骤230中，在基于电离的化学蚀刻工艺完成之后，可将酸浴排尽 并用水冲洗或者可将托盘夹持器110移至基于水的中和槽232中，在此期间托盘夹持器110 及其相关联的铝部件102可被冲洗至不含任何酸残余。冲洗和冲刷可通过迫使水通过中和 槽232的入口 234并流出出口 236来完成。在后续步骤240中，可在排尽之后将热空气吹 过中和槽232,导致铝部件102在最终步骤250处逐渐干燥。
[0041] 图3A- 3C示出了表示在基于电离的化学蚀刻工艺之前和之后的铝基板的外表面 的曲线图。图3A示出了已将表面模具施加至其之后的挤制铝基板的一个横截面的表面轮 廓。坚直轴线以微米示出了铝基板的表面的高度，并且水平轴线示出了该特定曲线图表示 0. 7微米宽的表面。如图3A中的曲线图所示的表面轮廓包括许多尖锐的峰和谷，其在一些 情况下形成将近2微米的深度梯度。此类深度上的大梯度往往对铝基板的表面光洁度造成 负面影响。图3B示出了在对铝基板施加约8分钟的电离处理之后对该铝基板的表面的影 响。可能最明显的是，深度梯度从图3A中的1. 863微米大大减小到图3B中的0. 849,降低 了 50%以上。还应当指出的是，谷和峰更为平坦地倾斜，明显不存在尖锐的峰和谷。在图3C 中，允许电离处理持续进行总计15分钟。尽管在附加时间中进一步减小了深度梯度，但结 果并没有仅8分钟所达到的结果那么显著。在这种情况下，深度梯度减小到仅0. 846微米。 因此，在期望制造时间轴中的效率的情况下，较短时间可为期望的。例如，在一组试验中，当 与电子束抛光操作相结合时发现仅5分钟的电离时间是最佳的，下文将对其进行更加详细 的论述。
[0042] 尽管基于电离的化学蚀刻工艺能够基本上改善铝部件102的表面部分上的表面 光洁度，但由于酸蚀刻仅与铝部件102的表面部分相接触，因此其无法解决沿该表面布置 的金属间化合物颗粒的问题。在经酸蚀刻的铝部件102的表面上进行后续的机械抛光仍能 够导致仅嵌入铝部件102的表面部分以下的金属间化合物颗粒的剥落，从而避免或至少基 本上限制有效的机械抛光操作。在需要比可通过基于电离的化学蚀刻工艺所获得的更精细 抛光的情况下，可施加后续的电子束抛光工艺。
[0043] 在图4中，其示出了电子束抛光机400的框图。从等离子体阴极所发射的电子束直 径为约20mm。可与本实施例一起使用的一个特定电子束实施例在论文[V.N.Devjatkov等 人，''InstallationforTreatmentofMetalSurfacebyLowEnergyElectronBeam，'， 关于具有粒子束和等离子体流的材料的改性的第七届国际会议，（TomskRussia)，2004年 7月25-29日第43-48页]中充分描述，其全文以引用方式并入。应当指出的是，并入的论 文中所描述的工艺涉及钛和钢电子束抛光，而本实施例具体涉及铝电子束抛光。铝电子束 抛光需要电子束抛光机使用与钢和钛所使用的显著不同的参数和电子束宽度。例如，与常 规的钛或钢的电子束抛光相关联的电子束通常具有比适用于具有约20-30mm的有效直径 的铝的电子束更小的有效电子束直径。在图4中，其示出了给出与电子束抛光机400相关 联的部件的框图。电子束发射器402可发出通常具有1?斯分布的电子束404,其中与电子束 404相关联的功率电平恰好在20-30mm的直径之外降至约60 %的最大功率。在约46mm的直 径处，有效性完全下降。此外，电子束可有效抛光铝表面直至约30度的轴偏离，在该位置处 电子束的有效性迅速下降。应当指出的是，在一些应用中，电子束的直径可减小到约1〇_。 电子束发射器402电耦合至触发器406、电弧408和加速电压源410。所发射的电子束404 可与工件412的表面接触。工件操纵器414可保持电子束404在工件412的表面上进行扫 描。还应注意的是，由于电子束抛光效应的逐渐衰减，在电子束影响部分和非电子束影响部 分之间建立明显区别的一种方法在于通过对表面的不需要电子束抛光的部分进行掩蔽。以 下参数被发现以当将电子束抛光机400施加于铝时产生可接受的结果：介于5kV和25kV之 间的加速电压；在上部线圈中约5A的电磁线圈电流并且在底部线圈中2A的电磁线圈电流； 以及介于约50iis和200iis之间的电子束脉冲持续时间，附随1-lOHz的脉冲频率。
[0044] 图5不出了热输送固定装置500。热输送固定装置500被配置为在电子束抛光操 作期间支撑中空铝外壳102。在该实施例中，铝外壳102可具有约0.6_小的厚度。因此， 施加电子束404可导致铝外壳102的过度加热。在铝外壳102很薄的情况下，为了防止翘 曲或其他与加热相关的变化，可将铝外壳102放置在如图5所示的热输送固定装置中，其通 过去除由电子束404储存在薄型铝外壳中的大量多余热能而充当换热器。热输送固定装置 还可为铝外壳102提供机械支撑。在一个实施例中，施加电子束404可引起lOJ/cm2的能 量转移，这导致温度升高300K以上。为了减少此类发生率，热输送固定装置500具有建于 其内的水冷却系统以用于有效地从铝外壳102去除热量，从而避免铝外壳102在电子束抛 光操作期间过热。热输送固定装置500包括Teflon"夹持器502,其用于将铝外壳102的上 表面保持在针对热输送固定装置外壳504的适当位置。Te_fl〇nK夹持器502通过金属夹持 器506来固定。热输送固定装置导管504包括水通道508,其被设计为沿铝外壳102的下 表面承载冷却水。可通过泵来驱动冷却水通过水通道508,使冷却水循环通过水通道508。 在一些配置中，铝外壳102可与水通道508直接接触，避免在热传递过程期间的气隙并提供 提高的热传递效率。在其它实施例中，可能期望封闭系统，该封闭系统中包括位于水通道导 管506和错外壳102之间的作为热输送固定装置外壳504的一部分的上壁，因此水源在封 闭系统内可保持封闭。永久环形磁体510可沿热输送固定装置500的下表面进行布置以有 助于在电子束抛光操作期间聚焦该电子束。应当指出的是，在一些情况下，由于铝部件的较 大质量和/或较不易变形，实心铝部件的电子束抛光可能无需热输送固定装置500。
[0045] 图6不出了电子束抛光机600。电子束抛光机600包括有助于图6中明确注释的 功能的多个较小部件。令人特别感兴趣的是电子束抛光是在接近真空的条件下完成的，因 此电子束抛光机600包括腔室602,该腔室被配置为创建用于电子束抛光机400操作于其中 的真空。在一组试验中，真空中的压力为约〇.〇6Pa。在将电子束抛光创建为高容量制造工 艺的一部分的情况下，可在腔室602的任一侧建立一系列闸室。这样，当多个铝部件受到电 子束抛光时，可对相邻第一闸室中的另一组铝部件进行减压。当完成电子束抛光操作时，在 将经减压的铝部件移动到腔室602中之前可将铝部件102转移到加压的第二闸室。这样， 可持续进行连续的电子束抛光操作，而不必在每个电子束抛光操作之后等待耗时的加压和 减压步骤。电子束抛光机600还可包括夹具604,该夹具被配置为在电子束404下操纵多个 铝部件。应当指出的是，电子束抛光机600可利用前述参数来对汽车发动机中的压铸铝机 动车活塞头进行电子束抛光。由于铝活塞头的较大体积，该过程很大程度上是相同的，因此 可能无需前述的冷却过程。
[0046] 图7A示出了夹具604的放大视图。夹具604可单独地或同时沿X和Y轴平移一 组铝部件102。该平移可由作为计算机控制的制造工艺的一部分的计算机数字控制器进行 控制。夹具604在制造操作期间的运动可允许铝部件102以约20mm/sec的速度从电子束 400下通过。根据铝部件102的尺寸，多个电子束404穿过铝部件102的表面可用于在铝部 件102之一的表面上完全地施加抛光效应。夹具604还可包括如图7B所示的夹具紧固件 702。夹具紧固件702可被配置为在电子束抛光操作期间旋转铝部件102。夹具紧固件702 包括允许铝外壳102围绕旋转轴706旋转的传动装置系统704。夹具紧固件可通过在方向 710上操纵齿轮齿708而进行旋转。齿轮齿710的运动使齿轮712旋转，这在图8A-8C中 示出。由于当呈现出取向成远离电子束404达30度以上的表面时该电子束可能失去显著 的抛光效果，因此夹具紧固件702在电子束抛光操作期间在适当的间隔中能够通过将铝部 件102的边缘部分714朝向电子束404而有助于进行电子束抛光操作。应当指出的是，在 一些实施例中，可将热输送固定装置包括在夹具紧固件702中从而允许对所描述的薄型中 空铝部件或实心铝部件进行电子束抛光。
[0047] 图8A-8C示出了铝部件102相对于夹具紧固件702的旋转。在图8A中，夹具紧 固件702在一个方向上旋转。由于齿轮712机械耦接至夹具紧固件702,因此夹具紧固件 702随齿轮712旋转，而夹具紧固件支撑梁802可保持其在其余的夹具604内的取向。在图 8B中，随着齿轮齿710在X轴上的平移，铝部件102返回至平行于夹具604的表面部分的位 置。最后，在图8C中，齿轮齿在X轴上的持续平移使得铝部件102以与第一方向相反的方 向进行取向。这样，在抛光操作期间电子束404可方便地触及铝部件102的边缘部分714。
[0048] 图9示出了通过电子探针显微分析仪（EPMA)观察到的电子束抛光操作的结果。 EPMA非常类似于具有能够进行化学分析的附加能力的扫描电镜。所显示的结果基于通过电 子束抛光机使用15kV加速电压。顶表面的之前和之后视图不出金属间化合物902的急剧 减少。金属间化合物902并非铝基板中的合金的一部分，而是作为该基板中的内含物而存 在。在一些实施例中，金属间化合物可为包含铝、铁和硅氧烷的混合物的合金。尽管在该黑 白图像中不明显，但通过该电子束抛光操作还消除了基本上沿该铝基板的表面部分的残余 痕迹和模具痕。横截面侧视图示出了在该电子束抛光操作完成之后铝表面904基本上变平 整。此外，尽管通常仅从距离该表面的前10-20微米去除金属间化合物，但在该特定的试验 中，在该表面往里30微米以上基本上不存在金属间化合物。
[0049] 图10A示出了在电子束抛光操作之前的经机加工的铝基板的横截面侧视图。该视 图由电子背散射衍射图样（EBSP)提供。EBSP图示出经机加工的铝基板内的材料的晶体取 向，其通常用于示出多晶材料的纹理或优选取向。EBSP还涉及到扫描电镜的使用，但也包括 电子背散射衍射检测器，该电子背散射衍射检测器产生电子背散射衍射图样。图10A清楚 地示出了沿铝基板的表面部分布置的大量集中的金属间化合物1002。该描述中还存在表示 铝在该基板内的不同取向的晶界1004。图10B示出了在电子束抛光操作之后的经机加工的 铝基板的横截面侧视图。主要关注点在于金属间化合物1002几乎完全不存在于铝基板的 上表面。此外，金属间化合物不存在直至从该铝基板往里约20微米深的位置。在该电子束 抛光操作之后还基本上扩大了晶界。晶界比图10A中所示的方式更多地扩展开来并且更为 密集地排列，从而产生铝基板表面的更为平滑的光洁度。此外，由于金属间化合物已从铝基 板的表面部分去除，因此机械抛光操作可为该铝基板提供更为精细的抛光一致性。
[0050] 图11A和11B不出了用于抛光错的电子束抛光机的参数图。圆圈不出有利结果，而 叉号示出不利结果。所显示的结果通过将5A和2A的线圈电流分别施加到电磁线圈的上部 和底部并且进一步在目标铝基板为约1.4mm厚并具有20mm/sec的扫描速度的情况下进行 采集。应当指出的是，图11A使用100ys的固定脉冲持续时间并且图11B使用5Hz的固定 脉冲频率。在图11A中示出了实现有利结果的脉冲频率和加速电压的表示。当脉冲频率设 定得太高（在这种情况下超过9Hz)时，扫描线之间的晶界和凹坑开始沿铝基板的表面部分 出现。当加速电压设定得太低（在这种情况下低于15kV)时，所产生的电子束（EB)层（基 本上渗透均质表面）无法渗透至足以耐受机械抛光操作的深度。在图11B中，小于10kV的 加速电压导致具有前述问题的薄的EB层。介于50和180ys之间的脉冲持续时间导致有 利结果。然而，在200ys的脉冲持续时间下，河流图样开始在铝基板的表面中形成。河流 图样和扫描线可以深至足以使适用于对其进行去除的机械抛光操作能够磨掉所产生的EB 层，从而牺牲与该过程相关联的任何优点。
[0051] 图12示出了描述用于形成和抛光铝基板的过程1200的高级框图。在过程1200 的第一步骤1202中，通过挤制工艺形成多个铝部件。挤制铝部件可由诸如ASTMA6063之 类的铝合金制成。在步骤1204中，可使用机加工工具以从挤制铝部件去除大的刮痕和鳞 屑。在一些实施例中，机加工工艺还可沿挤制铝部件创建特征结构乃至将该铝部件镂空以 用作外壳。机加工操作沿挤制铝部件的表面部分产生局部加热，使得多个金属间化合物嵌 入该铝部件的表面部分中。在步骤1206中，对该铝部件施加酸蚀刻工艺。该酸蚀刻工艺在 酸浴中进行，该酸浴包括按重量计的磷酸（H3P04:66-71重量％ )和硝酸（HN03:5-9重量％ ) 的溶液。可对布置在托盘夹持器内部的大批量的铝部件施加酸蚀刻。可将该托盘夹持器浸 没在介于约60°C到约75°C的温度的制备好的酸浴中。在该酸蚀刻工艺期间，可使铝基板振 动以通过在该铝部件和布置在该板夹持器中的钛合金板之间创建固态电极电位差异来有 助于促进电抛光工艺。可将铁丝放置在接触铝棒和钛合金板的位置处以进一步提升酸蚀刻 工艺的效果。继酸蚀刻预处理之后，在步骤1208中，可施加宽束的电子束以在该电子束的 表面部分上产生表面熔体。通过对铝部件的表面部分施加大量能量，可将在先前的机加工 工艺期间所产生的金属间化合物蒸发或剥落，从而产生非常适于机械抛光操作的基本上均 质的表面层。在步骤1210中，可采用机械抛光和磨光工艺。一般来讲，有效磨光深度在纳 米或至多在微米深度范围内，因此，很显然深于10到20微米而存在的金属间化合物不影响 该磨光工艺。然而，由于电子束产生至少10-20微米的表面熔体，因此表面的金属间化合物 (即，位于该表面的10-20微米内）可被有效地消除。应当指出的是，在一些实施例中，可对 抛光表面的某些部分施加后续的阳极化或喷砂工艺。在阳极化工艺期间通过遮住抛光表面 的一部分，文本和有光泽的形状明显可由更柔和的粗糙的周边所包围。
[0052] 图13为一种适用于控制所述实施例中的一些工艺的电子设备的框图。电子设备 1300可示出代表性计算设备的电路。电子设备1300可包括处理器1302,该处理器有关用 于控制电子设备1300的总体操作的微处理器或控制器。电子设备1300可包括位于文件系 统1304和高速缓存1306中的有关制造指令的指令数据。文件系统1304可为存储磁盘或 多个磁盘。在一些实施例中，文件系统1304可为闪存存储器、半导体（固态）存储器等。 文件系统1304通常可为电子设备1300提供高容量存储能力。然而，由于对文件系统1304 的存取时间可能相对较慢（特别是在文件系统1304包括机械式磁盘驱动器的情况下），因 此电子设备1300还可包括高速缓存1306。高速缓存1306可包括例如由半导体存储器所 提供的随机存取存储器（RAM)。对高速缓存1306的相对存取时间可比文件系统1304的存 取时间要短得多。然而，高速缓存1306可不具有文件系统1304的大存储容量。另外，文件 系统1304当处于活动态时可比高速缓存1306消耗更多的功率。当电子设备1300为由电 池1324供电的便携式设备时，功率消耗常常可成为关注的问题。电子设备1300也可以包 括RAM1320和只读存储器（ROM) 1322。ROM1322可存储即将以非易失性方式执行的程序、 实用程序或过程。RAM1320可诸如为高速缓存1306提供易失性数据存储装置。
[0053] 电子设备1300还可包括允许电子设备1300的用户与电子设备1300进行交互的 用户输入设备1308。例如，用户输入设备1308可采取多种形式，诸如按钮、小键盘、拨号盘、 触摸屏、音频输入接口、视觉/图像捕获输入接口、传感器数据形式的输入等。更进一步地， 电子设备1300可包括可由处理器1302控制以向用户显示信息的显示器1310(屏幕显示 器）。数据总线1316可有利于在至少文件系统1304、高速缓存1306、处理器1302和控制器 1313之间进行数据传输。控制器1313可用于通过设备控制总线1314与不同制造设备进行 交互并对其进行控制。例如，控制总线1314可用于控制计算机数控（CNC)铣床、压机、注塑 机或其他此类设备。例如，处理器1302在某一制造事件进行时能够通过控制器1313和控 制总线1314提供控制制造设备的指令。此类指令可存储在文件系统1304、RAM1320、ROM 1322或高速缓存1306中。
[0054] 电子设备1300还可包括耦接至数据链路1312的网络/总线接口 1311。数据链路 1312可允许电子设备1300耦接至主机或附件设备。数据链路1312可通过有线连接或无线 连接而提供。就无线连接而言，网络/总线接口 1311可包括无线收发器。传感器1326可 采用用于检测许多刺激的电路的形式。例如，传感器1326可包括用于监测制造操作的任何 数量的传感器，诸如例如响应于外部磁场的霍尔效应传感器、音频传感器、光传感器诸如光 度计、计算机视觉传感器、监测化学反应的温度传感器，等等。
[0055] 在上述描述中，为了进行解释，使用了具体的命名以便于充分理解本发明。但是， 对于本领域的技术人员将显而易见的是，实践本发明不需要这些具体细节。因此，出于说明 和描述的目的呈现了对本发明的具体实施例的上述描述。这些描述并非旨在是穷举性的或 将本发明限制为所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，根 据上述教导内容可作出许多修改和变型。
[0056] 选择和描述实施例是为了充分阐明本发明的原理及其实际应用，以由此使得本领 域的其他技术人员能够充分利用具有适合于所构想的特定用途的各种修改的本发明以及 各种实施例。其意图是本发明的范围由以下权利要求及其等同形式来限定。
【权利要求】
1. 一种抛光铝部件的表面的方法，包括： 通过酸蚀刻所述铝部件来以化学方法预处理所述铝部件；以及 通过电子束对所述铝部件的经酸蚀刻的表面进行电子束处理，所述电子束处理通过以 下来表征： 所述电子束的加速电压介于约10kv和25kV之间， 电子束脉冲持续时间介于约50微秒和150微秒之间， 电子束脉冲频率介于约1Hz和10Hz之间，以及 利用所述电子束来扫描所述铝部件的表面部分， 其中所述铝部件的所述表面的所产生的表面熔体消除了基本上所有的金属间化合物 并且基本上扩大了所述铝部件的所述表面的晶界。
2. 根据权利要求1所述的方法，还包括： 机械地抛光所述铝部件的经处理的表面。
3. 根据权利要求1和2所述的方法，还包括： 在所述电子束处理期间将所述铝部件机械地耦接至换热器，所述换热器包括： 用于支撑所述铝部件的固定装置， 用于将所述铝部件固定至所述固定装置的多个夹持器， 贯穿所述固定装置的导管，和 用于将冷却水循环通过所述导管的泵， 其中所述换热器通过避免过热状态来避免所述铝部件的变形和翘曲。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中所述导管的上部是打开的使得所述冷却水与所述 铝部件的表面直接接触，从而有助于所述冷却水和所述铝部件之间的直接热传导。
5. 根据权利要求2所述的方法，其中所述扫描所述铝部件的所述表面部分包括以每秒 约20mm的速度利用所述电子束来扫描所述铝部件的所述表面部分。
6. 根据权利要求2所述的方法，其中所述电子束处理从所述铝部件的一部分去除金属 间化合物，所述铝部件的一部分从所述铝部件的所述表面延伸至所述铝部件的所述表面以 下约20微米的深度。
7. 根据权利要求4所述的方法，其中所述电子束的直径为约25mm。
8. -种被配置为抛光铝部件的表面的电子束抛光机，包括： 电子束发射器； 真空室；和 夹具，所述夹具被配置为在至少两个轴上平移所述铝部件， 其中所述电子束发射器被配置为在电子束抛光操作期间以介于约10kV和25kV之间的 加速电压、介于约50微秒和150微秒之间的脉冲持续时间以及介于约1Hz和10Hz之间的 脉冲频率进行操作，并且其中所述铝部件的所述平移使得所发射的电子束在所述铝部件的 所述表面上扫描，使得所述铝部件的所述表面产生表面熔体，从而基本上消除了所有的金 属间化合物并且基本上扩大了所述铝部件的所述表面的晶界。
9. 根据权利要求8所述的电子束抛光机，其中沿所述铝部件的表面部分的变化通过在 利用所述电子束抛光机来使用所述铝部件之前所执行的酸蚀刻工艺而基本上减少。
10. 根据权利要求9所述的电子束抛光机，还包括将所述铝部件机械地耦接至所述夹 具的热输送固定装置，所述热输送固定装置包括： 用于支撑所述铝部件的固定装置； 用于将所述铝部件固定至所述固定装置的多个夹持器； 贯穿所述固定装置的导管；和 用于将冷却水快速循环通过所述导管的泵。
11. 根据权利要求10所述的电子束抛光机，其中所述夹具被配置为相对于换热器的所 述固定装置而围绕至少一个旋转轴来旋转所述铝部件。
12. 根据权利要求11所述的电子束抛光机，其中所述至少一个旋转轴允许所述铝部件 的边缘部分在所述电子束抛光操作期间被布置成朝向所述电子束发射器。
13. 根据权利要求9所述的电子束抛光机，其中所述真空室配置有用于连续操作所述 电子束抛光机的至少两个闸室。
14. 根据权利要求9-13所述的电子束抛光机，其中所述电子束发射器被配置为提供具 有介于约20mm和30mm之间的有效电子束抛光直径的射束。
15. 根据权利要求9所述的电子束抛光机，其中所述电子束发射器被配置为在所述铝 部件的表面部分上产生表面熔体，所述表面熔体基本上去除了位于所述铝部件的所述表面 的约20微米以内的金属间化合物。
16. 根据权利要求9-15所述的电子束抛光机，其中所述铝部件为约0. 6mm厚。
17. -种用于抛光铝部件的抛光组件，包括： 用于对所述铝部件进行酸蚀刻的装置； 用于利用一组工作参数来配置电子束的装置，所述工作参数包括： 介于约10kV和25kV之间的加速电压， 介于约50微秒和150微秒之间的脉冲持续时间，和 介于约1Hz和10Hz之间的脉冲频率； 用于激发所述电子束的装置；和 用于通过所述电子束来操纵铝部件使得所述电子束扫描所述铝部件的基本上整个表 面的装置。
18. 根据权利要求17所述的抛光组件，其中经激发的电子束能够对取向成远离所述电 子束最多约30度的表面有效地抛光。
19. 根据权利要求17-18所述的抛光组件，还包括： 用于在电子束抛光操作之后机械地抛光所述铝部件的所述表面的装置。
20. 根据权利要求17-19所述的抛光组件，其中主动冷却的散热器机械地耦接至所述 铝部件以在电子束抛光操作期间去除热量。
21. -种抛光铝部件的表面的方法，包括： 对所述铝部件进行酸蚀刻，包括： 利用金属板来支撑所述铝部件， 在约60°C到约75°C的温度将所述金属板浸没在硝酸和磷酸的混合酸浴中，以及 使所述酸浴中的所述金属板振动约5分钟和约15分钟之间， 其中经浸没的金属板充当阳极，从而对充当阴极的所述铝部件通过混合酸浴而形成电 偶电位差异，导致在所述铝部件的表面部分上出现的多个凸形突起上的电子集中，所述多 个凸形突起随后在所述混合酸浴中溶解，从而改善所述铝部件的表面品质。
22. 根据权利要求21所述的方法，其中所述混合酸浴包括： 66-71重量％的磷酸（Η3Ρ04);和 5-9重量％的硝酸（ΗΝ03)。
23. 根据权利要求21-22所述的方法，其中所述金属板为钛合金板。
24. 根据权利要求23所述的方法，其中所述电偶电位差异为约0. 8伏。
25. 根据权利要求23-24所述的方法，其中与所述铝部件的所述表面和所述钛合金板 两者接触的铁网有助于提1?抛光性能。
26. 根据权利要求21-24所述的方法，其中所述酸蚀刻沿所述铝部件的所述表面去除 金属间化合物。
27. 根据权利要求21所述的方法，还包括： 通过在中和槽中将水循环通过所述铝部件的所述表面来将来自混合酸中的残余酸从 所述铝部件冲洗掉。
28. 根据权利要求21所述的方法，还包括： 阳极化所述铝部件的所述表面。
29. 根据权利要求21所述的方法，其中所述铝部件的所述酸蚀刻导致所述铝部件的表 面变化减少至少50%。
30. -种酸蚀刻组件，包括： 多个金属板，每个金属板被配置为支撑多个铝部件； 板夹持器，所述板夹持器被配置为支撑多个金属板； 包含混合酸浴的酸蚀刻槽，所述混合酸浴包括： 66-71重量％的磷酸（Η3Ρ04)，和 5-9重量％的硝酸（ΗΝ03); 换热器，所述换热器被配置为将所述混合酸浴加热至约60°C至约75°C的温度；和 振动装置，所述振动装置被配置为当所述板夹持器定位于所述酸蚀刻槽中时振动所述 板夹持器， 其中当被浸没在所述混合酸浴中时在所述多个金属板和所述多个铝部件之间产生电 偶电位差异，使得对所述多个铝部件的表面部分施加电抛光操作。
31. 根据权利要求30所述的酸蚀刻组件，其中所述多个金属板包含选自软钢和钛合金 的金属。
32. 根据权利要求31所述的酸蚀刻组件，还包括： 酸中和槽，所述酸中和槽被配置为在酸蚀刻操作之后将来自所述混合酸浴中的残余酸 从所述板夹持器冲洗掉。
33. 根据权利要求30-32所述的酸蚀刻组件，还包括： 设置在所述多个铝部件中的每一个和所述多个钛合金板中的一者之间的铁网。
34. 根据权利要求31所述的酸蚀刻组件，其中所述板夹持器具有多个流体进入开口， 所述多个流体进入开口被配置为允许所述混合酸浴易于循环通过所述板夹持器。
35. 根据权利要求30所述的酸蚀刻组件，其中所述多个金属板各自包括多个穿孔，所 述穿孔使所述混合酸浴易于循环通过所述多个铝部件。
36. -种用于从铝部件的表面部分去除金属间化合物的酸蚀刻组件，所述酸蚀刻组件 包括： 用于在酸蚀刻槽内制备混合酸浴的装置，所述混合酸浴包括： 66-71重量％的磷酸（Η3Ρ04)，和 5-9重量％的硝酸（ΗΝ03); 用于将所述混合酸浴的温度设定为介于约60°C至约75°C之间的装置； 用于将由钛板支撑的铝部件浸没在所述混合酸浴中约5分钟至15分钟的时间的装置； 和 用于在所述钛板浸没在所述混合酸浴中的同时振动所述钛板的装置。
37. 根据权利要求36所述的酸蚀刻组件，其中用于浸没所述铝部件的装置包括用于将 多个铝部件浸没在所述混合酸浴中的装置，所述铝部件由钛板支撑并与铁网直接接触。
38. 根据权利要求37所述的酸蚀刻组件，其中所述钛板在酸浸没步骤中充当阳极，使 得在所述多个铝部件的表面部分上形成氧化。
39. 根据权利要求36-38所述的酸蚀刻组件，还包括： 用于在中和槽中将来自所述混合酸浴中的残余酸从所述多个铝部件冲洗掉的装置。
40. 根据权利要求37所述的酸蚀刻组件，其中用于浸没所述铝部件的装置包括在浸没 所述钛板和铝部件的同时由板夹持器支撑所述钛板。
【文档编号】H01L21/3065GK104271804SQ201380023815
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年3月18日 优先权日:2012年3月23日
【发明者】S·R·兰开斯特-拉罗克, P·哈雷罗, 植村贤介 申请人:苹果公司