Диссертация (1025198), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Время напыления составляло15 секунд при токе разряда 100 А. Для любого материала при увеличениииндукции арочного магнитного поля с 2,5 до 12,5 мТл толщина покрытия, а,следовательно, скорость роста толщины конденсата ионной фазы, уменьшаетсяв 1,2-1,7 раз.Таким образом, при увеличении индукции арочного магнитного поля содной стороны снижается количество капель на подложке, с другой стороныснижаетсятолщинапокрытия, характеризующаямассу покрытия, чтоподтверждает факт снижения скорости эрозии материала катода приувеличении индукции магнитного поля.Массовая доля капель в конденсате, рассчитанная по приведённыйметодике для различных значений индукций арочного магнитного поля,приведена в Таблице 4.2.
Влияние индукции арочного магнитного поля намассовую долю капель в покрытии проиллюстрировано на Рисунке 4.14.121Рисунок 4.12.Профилограммы ступеньки на различных участках покрытияРисунок 4.13.Толщина покрытия при различных индукциях арочного магнитного поляТаблица 4.2.Значения массовой доли капельной фазы в покрытиях из различных материаловИндукцияарочногомагнитногополя, мТл2,56,2512,5Материал катодаTiAlCuSi0,1230,1020,0500,5240,4360,3500,0480,0360,0200,2970,2370,200122Рисунок 4.14.Влияние индукции арочного магнитного поля на массовую долю капель впокрытии для различных материаловИз рисунка видно, что массовая доля капель в покрытии составляет от 2до 52 % в зависимости от материала катода и индукции магнитного поля.
Длятитана массовая доля капель в покрытии составляет 5-12 %, для алюминия – 3552 %, для меди – 2-5 %, для кремния – 20-30 %. При увеличении индукцииарочного магнитного поля с 2,5 до 12,5 мТл массовая доля капельной фазыснижается на величину от 1,5 до 2,5 раз в зависимости от материала катода.
Сувеличением индукции арочного магнитного поля происходит снижениескорости эрозии катода из-за уменьшения доли капельной фазы (уменьшенияколичества капель в конденсате) и уменьшения доли ионной фазы (уменьшениетолщины покрытия).4.6. Дисперсные характеристики капельной фазы в плазме дуговогоразрядаОбразование капель в продуктах эрозии дугового испарителя происходитиз жидкой фазы в области катодного кратера. Капли преимущественноприходят на подложку в жидком состоянии, о чём говорит их плоская форма вконденсатах. Это позволяет предполагать, что капли, будучи жидкими, передсоударением с подложкой имеют сферическую форму.
Зная объём капли на123подложке можно получить размер капли в потоке плазмы вакуумного дуговогоразряда перед соударением с подложкой:1/33d = a A(a ) 2,(4.15)где d – диаметр капли перед соударением с подложкой; a – диаметр каплипосле соударения с подложкой (диаметр отпечатка капли); A(a) – аспектноеотношение.Сведения о размерах капель до соударения с подложкой необходимы припроведении расчёта тепломассообмена между каплей и плазмой вакуумногодугового разряда с целью оценки возможности их полного испарения. Принаиболее вероятном аспектном отношении порядка 0,05 диаметр капли досоударения с подложкой должен быть примерно в 2-2,5 раза меньше, чемразмер капли в конденсате (размер отпечатка капли).На Рисунке 4.15 приведены полученные с учётом (4.15) графикиплотности потока капель в зависимости от их размера в потоке плазмыдугового разряда.Согласно ранее приведённой методике были получены графики функцийраспределения массы между фракциями капель fm(d) в потоке плазмы дуговогоразряда для различных материалов (Рисунок 4.16).В Таблице 4.3 приведено наиболее вероятное значение размера капли впотоке плазмы разряда dc и диапазон размеров капель dcminи dcmax,на долюкоторых приходится большая часть переносимой каплями массы в потокеплазмы дугового разряда.Таким образом, показано, что размер капель в плазме вакуумно-дуговогоразряда перед соударением с подложкой в 2-3 раза меньше, чем наблюдаемыйразмер отпечатков капель на подложке.
На основе данных о форме иколичестве капель на подложке было показано, что арочное магнитное полеприводит к значительному снижению плотности потока капель. Полученыфункции распределения массы между фракциями капель в плазме досоударения с подложкой. Показано, что в плазме дугового разряда большаяабвгРисунок 4.15.Влияние индукции арочного магнитного поля на плотность потока капель вплазме n(d) для различных материалова – титан; б – алюминий; в – медь; г – кремний125Рисунок 4.16.Функции распределения массы капель между фракциями fm(d) в потокеплазмы дугового разряда для различных материаловТаблица 4.3.Значения наиболее вероятных размеров dc и диапазон размеров капель,переносящих большую часть массы капель в потоке плазмы дугового разрядаМатериалTiAlCuSidc, мкм2,5 мТл6,3 мТл12,5 мТл0,356±0,2790,647±0,2270,341±0,2180,183±0,3830,444±0,2760,625±0,2500,369±0,1870,395±0,3440,330±0,2840,602±0,1820,391±0,1760,277±0,240Среднеезначениеdc, мкм0,3770,6250,3670,285Диапазонразмеровdc min - dc max0,097 - 0,6560,314 - 1,8930,173 - 0,5600 - 0,607часть массы капель переносится каплями размером в среднем от 0,150 до0,910 мкм, что заметно меньше, чем предполагалось в работах [79, 112, 114,117].
Это требует вносить коррективы в расчёт процессов тепломассообменакапель в плазме дугового разряда. В частности, необходимо учитыватьснижение излучательной способности капель субмикронных размеров [122].126ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ИЗМЕНЕНИЯТЕМПЕРАТУРЫ И МАССЫ КАПЛИ В ПЛАЗМЕ ВАКУУМНОДУГОВОГО РАЗРЯДА5.1.Процессы тепломассообмена между капелей и плазмой вакуумно-дугового разрядаКатодная привязка вакуумной дуги является источником плотнойметаллической плазмы, паров и микрокапель материала катода.
При пролётекапель через плазму разряда может происходить их нагрев и испарение илинаоборот увеличение массы и размеров капли в результате конденсациинейтральных атомов.На Рисунке 5.1 приведена схема теплового баланса капли. На каплюприходит тепловой поток приносимый компонентами плазмы: ионной Qi,электронной Qe, нейтрального пара Qn. Охлаждение капли происходитвследствие отвода тепла за счёт излучения Qизл, конвективного теплообменаQконв, испарения Qисп и термоэлектронной эмиссии QТЭЭ.Рисунок 5.1.Схема теплового баланса каплиУвеличение массы капли осуществляется за счёт конденсации ионовГконд i и нейтрального пара Гконд n (Рисунок 5.2). Потеря массы каплиосуществляется за счёт испарения атомов с её поверхности Гисп.Электроны в плазме имеют большую подвижность, чем ионы.
Согласнотеории электрического зонда это приводит к тому, что любое изолированное127тело, помещённое в плазму, приобретает отрицательный заряд, что снижаетколичество и энергию приходящих электронов и сообщает дополнительнуюэнергию ионам [143-145]. Вблизи капли формируется область двойного слоя сразмером, соизмеримым с радиусом Дебая, где потенциал изменяется отпотенциала капли до потенциала невозмущённой плазмы.Рисунок 5.2.Схема массового баланса каплиПри бомбардировке ионами с энергиями, характерными для дуговогоразряда, преобладающими процессами являются конденсация ионов наповерхность капли и упругое отражение иона.На поверхности капли происходит выделение кинетической энергиииона, энергии связи и энергии ионизации.
На нейтрализацию иона будетзатрачиваться работа выхода электрона. По разным оценкам ионная фаза можетиметь как тепловые энергии порядка 0,5-3 эВ [64, 66, 112], так и представлятьсобой направленный поток ионов с энергией направленного движения порядка30-200 эВ в зависимости от материала катода [16, 53, 56, 64]. Коэффициентыкатодного распыления при таких энергиях малы, и процессами распыленияможно пренебречь.Значение коэффициентов упругого отражения ионов мало и составляетвеличину порядка 0,02-0,06. Как правило, упругим отражением ионовпренебрегают.Электрон сообщает капле энергию, равную кинетической энергиитеплового движения электрона в плазме, и работу выхода электрона из128твёрдого тела.
Температура электрона в плазме составляет 1-10 эВ [35, 36, 53,63, 74, 75, 109, 110]. Значение работы выхода электрона имеет величину 4-5 эВ.При конденсации нейтральных атомов на поверхности капли выделяетсяэнергия, равная энергии связи и кинетическая энергия, равная энергиитеплового движения нейтральных частиц, что составляет примерно 0,2-0,4 эВ.В плазме вакуумного дугового разряда доля нейтральных атомов крайне мала исоставляет около 0,01 от концентрации плазмы.Лучистый тепловой поток, приходящий на поверхность капли со стороныплазмы и других капель, как правило, не учитывают [117].Термоэлектронная эмиссия обеспечивает охлаждение капли, так как навыход электронов покидающих её поверхность затрачивается энергия, равнаяработе выхода (порядка 4-6 эВ).
При низких температурах тел, как правиломенее 2000 К, термоэмиссией можно пренебречь. Но при температурах близкихк температуре кипения, термоэмиссия может вносить значительный вклад втепловой баланс, вызывая интенсивное охлаждение капли. С другой сторонытермоэлектронная эмиссия увеличивает потенциал капли, что уменьшаетэнергию,сообщаемуюионамприпрохождениидвойногослояи,следовательно, снижает тепловой поток, приносимый на каплю ионнойкомпонентой.В результате ионной и электронной бомбардировки капель возникаетвторичная электронная эмиссия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
