Диссертация (1025198), страница 3
Текст из файла (страница 3)
На материалахтитан и медь времена жизни составили 29 и 324 мкс соответственно. Приувеличении индукции арочного магнитного поля до 7 мТл время жизниуменьшилось соответственно в 1,2 и в 6,8 раза, что приводит к снижениюнагрева области привязки дуги на катоде. Показано, что при увеличениииндукции арочного магнитного поля, время нагрева локальной области катодаснижается. Этот результат был подтверждён измерением размеров кратеров наповерхности катода: средний размер кратера при увеличении индукцииарочного магнитного поля уменьшился в 1,5 и 1,3 раза для титана и для медисоответственно и составил 78 и 203 мкм.Проведено исследование влияния индукции арочного магнитного поля наскорость эрозии катода и показано, что при увеличении индукции арочногомагнитного поля скорость эрозии снижается в 1,5-3,9 раза в зависимости отматериала катода.14Показано, что профиль зоны эрозии катода в арочном магнитном полеописывается функцией Гаусса.
Приведена методика ускоренного определенияширины зоны эрозии катода методом оптической регистрации. Показано, чтоувеличение индукции арочного магнитного поля приводит к уменьшениюширины зоны эрозии. При увеличении тока ширина зоны эрозии наоборотувеличивается. Приведены кривые и эмпирические зависимости, описывающиезависимость ширины зоны эрозии и скорости движения катодных пятен отиндукции арочного магнитного поля и тока разряда для различных материалов.Измерения и расчёты выполнены для различных материалов: титан, алюминий,медь, кремний. На основе полученных данных был создан алгоритм расчётаизменения профиля катода в процессе работы в арочном магнитном поле иоценён коэффициент использования материала катода.Выполнен расчёт профиля выработки катода промышленного вакуумнодугового испарителя с арочным магнитным полем переменной конфигурации ипроведена коррекция закона изменения конфигурации арочного магнитногополя.
В результате был увеличен коэффициент использования материала катодас 37 до 80 %.Были проведены экспериментальные исследования изменения размеровкапель при их движении в плазме вакуумно-дугового разряда. Показано, чтопроисходит испарение мелких капель размером менее 0,5 мкм, в то время, каккапли размером более 1 мкм практически не испаряются.В четвёртой главе приведены результаты исследований капельной фазыпродуктов эрозии катода вакуумно-дугового испарителя и влияние арочногомагнитного поля на дисперсные характеристики капельной фазы. Проведеноисследование формы капель в конденсатах и показано, что капли приходят наподложку в жидком состоянии. Для характеристики формы капель былопредложено использовать отношение высоты капли к её диаметру (аспектноеотношение): A = h / d .
Показано, что на поверхности подложки наблюдаются восновном два типа форм капель: «диск» и «атолл», а форма капель – плоская.Это говорит о том, что капли приходят на поверхность в жидком виде.15Из анализа размеров отпечатков капель на поверхности подложек былиполучены функции распределения по диаметрам отпечатков капель вконденсатах при различных индукциях арочного магнитного поля и длянескольких материалов катода (титан, алюминий, медь, кремний). Рассчитанамассовая доля капель в покрытии и показано, что при увеличении индукцииарочного магнитного поля до 12,5 мТл массовая доля капель в покрытииснижается в 1,5-2,5 раза в зависимости от материала катода.С учётом формы капель на подложке рассчитаны функции распределенияпо диаметрам капель в плазме вакуумно-дугового разряда из предположениясферической формы жидкой капли при пролёте разрядного промежутка.Получено распределение массы капель между фракциями капель в плазмедугового разряда.
Показано, что наибольший вклад в общую массу капельвносят капли с размером от 0,15 до 0,91 мкм. Оценён диапазон размеров капель,которые вносят наибольший вклад в общую массу капель. Измерения формы иразмеров капель и расчёты дисперсных характеристик и массовой доликапельной фазы выполнены для титана, алюминия, меди, кремния. Полученныеданные использованы для разработки математической модели процессовтепломассообмена между каплей и плазмой вакуумно-дугового разряда.В пятой главе проведён анализ различных процессов тепломассообменамежду изолированной каплей и плазмой вакуумного дугового разряда.Проведён расчёт тепловых потоков и потоков вещества между каплей иплазмой.Особенностьюприменяемойматематическоймоделиявляетсяследующее:1. Расчёт проводился для капель диаметром 1 мкм и меньше, так какэкспериментальные данные, полученные в главе 4 с учётом формы капельпоказали, что большая часть массы капельной фазы переносится каплямиразмером от 0,15 до 0,92 мкм;2.
Впервые учитывалось изменение излучательной способности для капельсубмикронного размера;163. В модели учитывалось, что на каплю одновременно приходят тепловыеионы и ионные пучки, генерируемые катодным пятном. При этом для учётаприхода тепловых ионов рассматривался случай, когда радиус собирающейсферы намного больше радиуса частицы и меньше радиуса Дебая, а длинасвободного пробега ионов много больше радиуса Дебая.
Соотношениемеждутокомтепловыхионовиионамипучкаопределялосьэкспериментально.Показано, что наибольший вклад в тепловой баланс капли вноситтепловой поток со стороны приходящих на каплю ионов, а охлаждениеобеспечивается, главным образом, испарением. Составлена математическаямодель расчёта динамики изменения температуры и размера (массы) капли приеё движении в плазме дугового разряда.Площадь собирающей сферы πdi определяется приходом на каплю ионовс одной стороны и формированием объёмного положительного заряда с другойстороны. При этом размер собирающей сферы di может быть получен изсовместного решения уравнения Ленгмюра-Блоджета для сферическогоконденсатора и уравнения Бома для определения плотности ионного тока награнице собирающей поверхности.
Концентрации тепловых ионов и ионовпучка из катодного пятна в плазме вакуумно-дугового разряда былиопределены экспериментально с помощью системы двух плоских зондов, одиниз которых расположен перпендикулярно потоку (параллельно поверхностикатода),второйрасположенпараллельнопотоку(перпендикулярноповерхности катода). Показано, что в плазме вакуумно-дугового разрядаприсутствуютодновременнохаотическидвижущиесяионыивысокоэнергетичный ионный пучок, но преобладают хаотически движущиесяионы с тепловой энергией (0,1-0,2 эВ).
Концентрации тепловых ионов и ионов впучке составляют соответственно: n=0,85ne ; n=0,15ne . Потенциал капли φкiTibбыл найден из условия равенства ионного и электронного тока на каплю.Решение системы дифференциальных уравнений проводилось методомРунге-Кутты четвёртого порядка точности. В качестве начальных условий было17принято, что температура капли соответствует температуре плавленияматериала катода, начальный диаметр капли от 0,4 до 1 мкм. Пролётноерасстояние было принято 250 мм. В качестве материалов капель были приняты:медь, титан, алюминий, кремний. Было показано, что температура крупныхкапель в процессе движения ниже температуры кипения, но превышаеттемпературу плавления материала катода.
Получено, что магнитное полесущественно влияет на динамику испарения капель. Так в присутствииарочного магнитного поля происходит полное испарение капель размером0,4-0,5 мкм (для различных материалов катода), в то время как при егоотсутствии размер полностью испарённых капель не превышает 0,2 мкм.Размер крупных капель с начальным диаметром более 0,5 мкм при движении вплазме уменьшается незначительно – в 1,2-2,5 раза в присутствии арочногомагнитного поля и в 1,04-1,06 раза при его отсутствии (для различныхматериаловкатода).Теоретическиерасчётыхорошосогласуютсясэкспериментальными данными, полученными в главе 3.Расчёты показали, что увеличение концентрации плазмы до значений6∙1019 м-3 приводит к полному испарению капель меди размером до 1 мкм напролётном расстоянии 250 мм.
При этом увеличение температуры электроновоказывает меньшее влияние на скорость испарения капли, чем увеличениеконцентрации плазмы.Даны технические предложения по разработке систем вакуумно-дуговогоиспарения, позволяющие обеспечить существенное снижение массовой доликапельной фазы вплоть до её полного устранения, такие как вводдополнительной мощности в плазму и создание эффективных электронныхловушек. В качестве системы дополнительного ввода мощности предлагаетсяиспользовать геликоновый разряд (индуктивный разряд в продольноммагнитном поле), который позволяет увеличить концентрацию плазмы итемпературу электронов во всём объёме индуктора.18В заключении даны выводы по результатам проведённых исследований, атакже сделаны выводы по наиболее эффективному пути снижения капельнойфазы вплоть до её полного устранения.19ГЛАВА 1.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙЭРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И ПРОДУКТОВ ЭРОЗИИ ВАКУУМНОДУГОВОГО ИСПАРИТЕЛЯ1.1. Общая характеристика метода вакуумного дугового испаренияВакуумныедуговыеиспарителиширокоиспользуютсявпромышленности для нанесения различных функциональных покрытий.Дуговой испаритель может испарять как легкоплавкие, так и тугоплавкиепроводящие материалы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
