论文部分内容阅读
离子镀技术是当今使用面最为广泛、最先进的表面处理技术之一，而多弧离子镀更是其中的佼佼者。据不完全统计，国内外已有近一半以上的表面处理使用多弧离子镀技术。经过一定的发展，多弧离子镀技术已日趋成熟，但仍存在一些问题，在实际的工业生产过程中，所制备涂层表面颗粒大始终是困扰技术进步的一大难题，造成这一现象根本原因是由于弧斑过于集中造成靶材过热，形成熔池产生溶液飞溅。而减少液滴发生的有效方法有降低放电功率密度、提高弧斑运动速度、提高电离率以及加强冷却措施等，所以提高对靶面的冷却效果就具有十分重要的意义。本课题利用CFD方法结合实验对多弧离子镀膜机的弧源的温度场进行数值模拟分析，研究不同因素对于靶面冷却效果的影响。
本文基于ANSYS-CFX平台，对多弧离子镀膜机的弧源建立数值模拟模型，对弧源内部的冷却铜套、不锈钢内套、靶材以及内部的冷却水流体域进行流固耦合分析。模拟得到的靶面温度分布情况与实际情况基本相符，且靶面平均温度值与实际温度值比较接近，表明计算结果可靠。
本课题分别研究分析了不同温度、不同流速的冷却水对于靶面冷却效果的影响。模拟结果表明，靶面平均温度和冷却水的入口温度、入口流速之间呈线性变化的规律，冷却水的温度越低，流速越快，靶材表面的平均温度值越低。这表明在条件允许的情况下，尽可能地降低冷却水的温度，同时提高冷却水的入口速度，对于靶面的冷却有着积极的作用。同时课题研究了冷却铜套底面厚度对于靶面冷却效果的影响，模拟结果显示了当铜套底面厚度降低的时候，靶面的温度也会随之下降。另外，课题分析了弧源内部冷却水循环系统结构的变化对靶面温度场的影响，对原有的水冷系统结构做出调整，在条件相同的情况下，调整后的模型与原模型相比，靶面温度的平均值有所下降，冷却的均匀性也更好。
除此之外，本课题还模拟研究了弧斑的运动对靶面温度场的影响。模拟结果显示靶面上弧斑运动轨迹的温度变化范围在250℃到1495℃之间，且轨迹上任意一点的温度从最大值降低至最小值需要0.027秒，这表示弧斑在这个时间内不应该连续通过靶面上任意一点两次，否则会造成这一点的温度过高从而影响镀膜效果。
本文基于ANSYS-CFX平台，对多弧离子镀膜机的弧源建立数值模拟模型，对弧源内部的冷却铜套、不锈钢内套、靶材以及内部的冷却水流体域进行流固耦合分析。模拟得到的靶面温度分布情况与实际情况基本相符，且靶面平均温度值与实际温度值比较接近，表明计算结果可靠。
本课题分别研究分析了不同温度、不同流速的冷却水对于靶面冷却效果的影响。模拟结果表明，靶面平均温度和冷却水的入口温度、入口流速之间呈线性变化的规律，冷却水的温度越低，流速越快，靶材表面的平均温度值越低。这表明在条件允许的情况下，尽可能地降低冷却水的温度，同时提高冷却水的入口速度，对于靶面的冷却有着积极的作用。同时课题研究了冷却铜套底面厚度对于靶面冷却效果的影响，模拟结果显示了当铜套底面厚度降低的时候，靶面的温度也会随之下降。另外，课题分析了弧源内部冷却水循环系统结构的变化对靶面温度场的影响，对原有的水冷系统结构做出调整，在条件相同的情况下，调整后的模型与原模型相比，靶面温度的平均值有所下降，冷却的均匀性也更好。
除此之外，本课题还模拟研究了弧斑的运动对靶面温度场的影响。模拟结果显示靶面上弧斑运动轨迹的温度变化范围在250℃到1495℃之间，且轨迹上任意一点的温度从最大值降低至最小值需要0.027秒，这表示弧斑在这个时间内不应该连续通过靶面上任意一点两次，否则会造成这一点的温度过高从而影响镀膜效果。