Исследование и моделирование магнитных систем дугового испарителя с вращающимся арочным магнитным полем

Annotation

The article deals with the study of the magnetic systems of a vacuum arc evaporator with a rotating arched magnetic field to create an optimal arched magnetic field on the cathode surface. Four different configurations of magnetic systems for creating an arched magnetic field have been proposed and modeled.

Введение

Вакуумно-дуговые испарители нашел широко применение для нанесения сверхтвердых упрочняющих, защитных и других видов покрытий. Важным достоинством вакуумно-дугового способа является практически полное воспроизведение химического состава испаряемого материала катода в покрытии [1]. Также к достоинствам вакуумно-дугового испарителя можно отнести:

- Простой источник питание;

- Высокая скорость осаждения;

- Высокий КПД;

- Обеспечивает хорошую адгезию;

- Работает с любым проводящими материалами.

Вакуумно-дугового метод осаждения также имеет свои недостатки:

- Высокая тепловая нагрузка на изделья;

- Наличие в потоке плазмы микрокапельной фазы с размером капель от 0,1 до 10 мкм [3]. Современная технология вакуумно-дугового осаждения покрытий требует снижения доли капельной фазы и размеров капель в продуктах эрозии катода, а также повышения коэффициента использования материала катода [2]. Одним из путей решения этой проблемы является использование дуговых испарителей с управлением движением катодного пятна арочным магнитным полем.

В такой системе катодное пятно движется внутри арки, образованной магнитными силовыми линиями, в области, где нормальная к катоду составляющая магнитного поля равна нулю. Для снижения доли капельной фазы необходимо увеличивать скорость движения катодного пятна по поверхности катода, что достигается путем увеличения индукции арочного магнитного поля. Однако это ведет к уменьшению ширины зоны эрозии, которая превращается в узкую канавку. При этом уменьшается эффективность использования материала катода и увеличивается неравномерность его выработки [4].

В данной работе для устранения неравномерности выработки применяют эксцентрично вращающаяся магнитная система с постоянными магнитами (рис.1) и стационарных катушек индуктивности. Данной системы периодически смещать траекторию катодного пятна по поверхности катода, что приводит к наибольшей, равномерной выработки катода [1].

Постановка задачи

При выборе магнитной системы необходимо оценить индукцию на поверхности катода, для этого необходимо произвести магнитный расчет.

Моделирования магнитных расчётов осуществлялось в программной среде для инженерного моделирования электромагнитных, тепловых и механических задач методом конечных элементов [5].

Рисунок 1. Эксцентричная смешенная магнитная система

1- фланец; 2 - катод; 3- магнитная система;

4 - магнитные силовые линии.

Расчет магнитных полей в программной среде ELCUT® начинается с построения расчетной модели.

Расчетной моделью стал вакуумно-дуговой испаритель с вращающимся арочным магнитным полем.

Данная модель представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Расчетная модель дугового испарителя

После загрузки расчетной модели в программную среду ELCUT задаются характеристики материала, задаются граничные условия и сроится сетка. Построение сетки на расчетной модели показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Построение сетки Расчет магнитных полей и получение результатов

Первая расчетная модель. В исследовании магнитного поля первом модели использовалась эксцентрично вращающаяся магнитная система (см. на рис. 2 позиции 4-8).

Первая магнитная система состоит из набора цилиндрических, периферийных ферритовых магнитов.

Полюс (N) периферийные ферритовый магнитов направлен к катоду и имеет следующие характеристики: класс HF26/24, коэрцитивной силой 280 кА/м, диаметр 12мм и высота 10мм (позиция 6 на рис.2).

Центральный, цилиндрический магнит расположен в середине магнитной системы.

Полюс (5) центрального ферритового магнита направлен к катоду и имеет следующие характеристики: класс HF24/24, коэрцитивной силой 250 кА/м, диаметр 10мм и высота 10мм (позиция 8 на рис.2).

Данные магниты расположены на магнитопроводе (Стали 3, диаметром 70мм и толщенной 4мм (позиция 4 на рис.2).

В результате магнитного расчёта первой магнитной системы, были получены магнитные силовые линии и значения нормальной и тангенциальной индукции магнитного поля, на поверхности катода (рис.4 и 5).

.

Рисунок 4. Магнитные силовые линии первой модели

Рисунок 5. Значение индукции на поверхности катода первой модели

Вторая расчетная модель. Во второй исследовании магнитного поля использовалась такая же эксцентрично вращающаяся магнитная система, как и в первой модели, но с добавлением между периферийных и центральных магнитов, магниты с меньшей величиной коэрцитивной силы. Коэрцитивная сила магнитов составляло 50 кА/м.

Вторая расчетная модель представлена на рисунке 6.

Рисунок 6. Вторая расчетная модель

В результате магнитного расчёта второй магнитной системы, были получены магнитные силовые линии и значения нормальной и тангенциальной индукции магнитного поля, на поверхности катода (рис.7 и 8).

магнитный поле покрытие испаритель

Рисунок 8. Значение индукции на поверхности катода второй модели

Третья расчетная модель. В третьем исследовании магнитного поля использовалась такая же эксцентрично вращающаяся магнитная система, как и в первой модели, но с добавлением электромагнитной катушки (катушка индуктивности) с плотностью тока 3*10⁶ А/м².

Расположение электромагнитной катушки можно увидеть на третьей расчетной модели, которая представлена на рисунке 9.

Рисунок 9. Третья расчетная модель

В результате магнитного расчёта третьей магнитной системы, были получены магнитные силовые линии и значения нормальной и тангенциальной индукции магнитного поля, у поверхности катода (рис.10 и 11).

Рисунок 10. Траектории магнитные линии третьей модели

Рисунок 11. Значение индукции на поверхности катода третей модели

Четвертая расчетная модель. В четвертом исследовании магнитного поля использовалась такая же эксцентрично вращающаяся магнитная система как и в , но с добавлением электромагнитной катушки (катушка индуктивности) с плотностью тока 5*10⁶ А/м².

Расположение электромагнитной катушки можно увидеть на четвертой расчетной модели, которая представлена на рисунке 12.

В результате магнитного расчёта четвертой магнитной системы, были получены магнитные силовые линии и значения нормальной и тангенциальной индукции магнитного поля, на поверхности катода (рис.13 и 14).

Рисунок 12. Четвертая расчетная модель

Рисунок 13. Магнитные силовые линии четвертой модели

Рисунок 14. Значение индукции на поверхности катода четвертой модели

Заключение

По результатам исследования можно сделать следующие выводы:

- наиболее оптимальные системы для создания арочного поля являются 3 и 4 расчетная модель, так как позволяет приблизить катодное пятно ближе к периферии катода, что существенно увеличат выработку материала;

- изменяя плотность тока в электромагнитных катушках (катушки индуктивности) можно управлять траекторией движение катодного пятна на поверхности катода. Увеличиваю плотность тока, мы приближаем катодное пятно к периферии катода, при уменьшении наблюдается обратный процесс.

Список литературы

1. Андреев А.А., Саблев Л.П., Шулаев В.М., Григорьев С.Н. Вакуумно-дуговые устройства и покрытия. - Харьков: ННЦ ХФТИ, 2005. - 236 с.

2. Духопельников Д.В., Кириллов Д.В., Булычев В.С.. Характеристики кремниевых микрокапель в покрытиях, осажденных методом вакуумного дугового испарения. Энциклопедический справочник. 2015. № 12.

3. Духопельников Д.В., Кириллов Д.В., Булычев В.С.. Характеристики кремниевых микрокапель в покрытиях, осажденных методом вакуумного дугового испарения. Энциклопедический справочник. 2015. № 12.

4. Кириллов Д.В., Рязанов В.А.. Исследование профиля выработки катода дугового испарителя при различных токах разряда и индукции магнитного поля. Молодежный научно-технический вестник. 2013. № 5.

5. Сайт компании Е1си [Электронный ресурс]. https://elcut.ru

Размещено на Allbest.ru