Диссертация (Исследование процессов эрозии катода и тепломассообмена между микрокаплями и плазмой вакуумно-дугового испарителя с арочным магнитным полем)

московскии госудАРстввннь1и твхничвскииунивш,Рситвтимвни н.э. БАумАнАЁа правах рукописи(ириллов,.(аниил БячеславовичисслвдовАнишпРоцпссовэРозии кАтодА имв){{ду микРокАплямитвпломАссооБмвнАвАкуумно_дуговогоиспАРитвляи плАзмойсАРочнь!м мАгнитнь!м полвш!€пециальность01.04.14-1еплофизика и теоретическая теплотехникадиссвРт^|44яна соиокание улёной степеникандидата технических наукЁаутньтй руководитель:кандидат технических наук'доцент [ухопельников .{.Б.1!1осква _20]:7 г.2СОДЕРЖАНИЕСтр.СОДЕРЖАНИЕ ...........................................................................................................

2ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5ГЛАВА1.СОВРЕМЕННОЕСОСТОЯНИЕИССЛЕДОВАНИЙЭРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И ПРОДУКТОВ ЭРОЗИИ ВАКУУМНОДУГОВОГО ИСПАРИТЕЛЯ.................................................................................... 191.1. Общая характеристика метода вакуумного дугового испарения ........... 191.2. Оборудование для вакуумно-дугового испарения материалов............... 211.3.

Исследование процессов эрозии, происходящие в катодном пятневакуумной дуги.................................................................................................... 241.4. Продукты эрозии катода вакуумного дугового испарителя .................... 281.5. Методы снижения доли капельной фазы в продуктах эрозии ................

341.6. Модели тепломассообмена между каплей и плазмой вакуумногодугового разряда.................................................................................................. 421.7. Постановка задачи исследований ............................................................... 45ГЛАВА 2. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ ............................. 472.1. Экспериментальная установка.................................................................... 472.2. Торцевой дуговой испаритель с арочным магнитным полем .................

492.3. Измерение электрических характеристик и магнитных полей ............... 532.4. Скоростная видеорегистрация движения катодных пятен ...................... 552.5.Измерение дисперсного состава и топологии поверхности капель вконденсатах на подложке ................................................................................... 562.6. Определение скорости эрозии катода ........................................................ 612.7. Измерение толщины конденсата (плёнки) ................................................ 622.8. Расчёт погрешностей измерений ................................................................ 63ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯАРОЧНОГОМАГНИТНОГОПОЛЯНАПАРАМЕТРЫРАБОТЫДУГОВОГО ИСПАРИТЕЛЯ.................................................................................... 673Стр.3.1.

Исследование влияния арочного магнитного поля на вольтамперные характеристики вакуумно-дугового разряда .................................. 673.2. Измерение скорости движения катодных пятен ....................................... 753.3. Измерение скорости эрозии катода дугового испарителя ...................... 783.4.

Влияние арочного магнитного поля на траекторию движениякатодных пятен и процессы эрозии катода ...................................................... 803.5. Исследование формы профиля зоны эрозии катода................................ 863.6. Оценка профиля зоны эрозии промышленного вакуумно-дуговогоиспарителя с арочным магнитным полем переменной конфигурации ......... 943.7. Измерение соотношения концентраций тепловых ионов и ионовпучка в плазме вакуумно-дугового разряда ..................................................... 983.8.

Исследование испарения капель при движении в плазме вакуумнодугового разряда................................................................................................ 101ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КАПЕЛЬНОЙ ФАЗЫ ...... 1064.1. Топология поверхности капель в конденсатах ....................................... 1064.2.

Дисперсные характеристики капельной фазы в покрытии ................... 1124.3. Функции распределения капель по размерам отпечатка f(a) ................ 1154.4. Распределение массы между фракциями капель fm(a) ........................... 1164.5. Массовая доля капельной фазы в продуктах эрозии катода ................. 1184.6. Дисперсные характеристики капельной фазы в плазме дуговогоразряда ................................................................................................................ 122ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ИЗМЕНЕНИЯТЕМПЕРАТУРЫ И МАССЫ КАПЛИ В ПЛАЗМЕ ВАКУУМНОДУГОВОГО РАЗРЯДА ........................................................................................... 1265.1.Процессы тепломассообмена между капелей и плазмой вакуумнодугового разряда................................................................................................

1265.2.Допущения, принимаемые при расчёте теплового баланса капли ........ 1295.3.Вклад электронных и ионных потоков в тепловой баланс капли.......... 1334Стр.5.4. Особенности радиационного теплообмена частиц субмикронногоразмера ...............................................................................................................

1455.5. Тепловые потоки испарения и конденсации на поверхности капли .... 1485.6. Массовый обмен между каплей и плазмой ............................................. 1505.7. Оценка вклада различных видов тепло- и массообмена в тепловой имассовый баланс капли..................................................................................... 1515.8.Математическаямодельпроцессовтепломассообменамеждукаплей и плазмой вакуумно-дугового разряда............................................... 1535.9.Динамика изменения температуры и диаметра капли в плазмедугового разряда................................................................................................ 1565.10.

Оценка возможности полного испарения крупных капель в плазмевакуумно-дугового разряда .............................................................................. 163ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................ 168СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................... 1705ВВЕДЕНИЕМетод вакуумно-дугового испарения относится к термическим методамполучения потоков вещества и используется с середины 70-х годов длянанесения покрытий [1, 2]. В отличие от общепринятых термических методов,таких как резистивное и электронно-лучевое испарение, в которых испарениепроисходит из расплавленной области, в данном методе испарение материалапроисходит с поверхности твёрдого холодного катода из катодного пятна.Особенностью катодного пятна является его крайне малые размеры (50100 мкм) и высокие плотности тока – до 1013 А/м2.

Это обеспечивает плотноститепловых потоков в катодном пятне, достигающие 1015 Вт/м2. При такойплотности теплового потока вещество с поверхности катода в областикатодного пятна испаряется уже в ионизованном состоянии. Катодные пятнаперемещаются по поверхности катода скачкообразно с характерным временемгорения в одном месте 10-6-10-5 с. При таких параметрах процесс нагрева ииспарения материала носит сугубо нестационарный характер.

Малые размерыобласти испарения, высокие плотности тепловых потоков и малые характерныевременазатрудняютпроведениеэкспериментальныхитеоретическихисследований процессов испарения.При горении катодного пятна на поверхности катода формируютсяпродукты эрозии катода, которые состоят из трёх компонент: плазма, пар икапли материала катода (капельная фаза).

Капельная фаза состоит из мелкихкапель материала катода размером от 30 нм до 30 мкм. Капли образуются вкатодном пятне дугового разряда, поступают в разрядный промежуток иосаждаются на подложке, снижая эксплуатационные свойства покрытий.В современных установках вакуумного дугового испарения применяютсяразличные методы снижения количества капель в продуктах эрозии:обеспечивается хорошее охлаждение катода, применяются сепараторы плазмыразличной конструкции (механические, магнитные, электростатические) [3-6],обеспечиваются высокие скорости перемещения катодного пятна с помощьювнешнего арочного магнитного поля [7-12].6Применение электростатических и магнитных сепараторов значительноуменьшает поток испарённого материала, что в 7-10 раз и более, снижаетпроизводительностьметодаиделаетприменениесепараторовмалопривлекательным.Наложение арочного магнитного поля на катод заставляет катодныепятна двигаться в направлении, противоположном силе Ампера [13, 14].

Приэтом скорость их движения увеличивается в несколько раз, что изменяетусловия эрозии и, в частности, испарения материала катода и снижает, какпоказали эксперименты, вероятность образования капель [1]. Это приводит куменьшению количества капель в продуктах эрозии в несколько раз. При этом,за счёт формирования магнитной ловушки в прикатодной области повышаетсяконцентрация плазмы, что может приводить к дополнительному нагреву ииспарению капель. Всё это делает перспективным применение арочногомагнитного поля в дуговых испарителях для снижения массовой доликапельной фазы и позволяет с незначительными затратами повысить качествоосаждаемых покрытий.Для подавления образования капель в катодном пятне и создания условийдля эффективного их испарения в разрядном промежутке необходимопроведение детальных исследований влияния арочного магнитного поля наинтегральные характеристики процесса эрозии материала с поверхности катодаи процессов испарения капель в плазме вакуумно-дугового разряда.Несмотрянаповсеместноеприменениедуговыхиспарителейвтехнологических процессах, дуговой разряд в арочном магнитном поле изученнедостаточно.