引言
鈦基材料因具有耐腐蝕性能好、密度低、比強度高等優(yōu)良的物理性質(zhì)，在真空鍍膜領域中常被用做靶材來制備鈦基復合材料，從而提高基材性能和使用壽命，不僅可以合理的利用資源，降低生產(chǎn)成本，也促進了鈦材在工業(yè)領域的應用［1－2］。在眾多的鍍膜技術中，磁控濺射技術具有基片溫升慢、沉積速率快等優(yōu)點，能夠有效提高薄膜附著力和均勻性，而且?guī)缀跛械慕饘俣伎梢宰鳛闉R射靶，因此廣泛應用于各種工業(yè)薄膜制備領域中。高純鈦材作為一種昂貴的金屬靶材，其冶煉過程復雜，制造成本較高，作為濺射鍍膜過程中的核心部件，其特性直接影響到膜層質(zhì)量以及鍍膜成本，因此，提高鈦靶的利用率和穩(wěn)定性尤為重要［3－4］。
在磁控濺射鍍膜過程中，濺射靶的功率密度受到靶熱負荷的限制，其中80%的電能都會轉化為熱量，導致鈦靶急劇升溫［5－6］。當濺射電流較大時，過多陽離子對靶進行轟擊會使濺射靶過熱而燒毀，或因熱應力過大使表面出現(xiàn)裂紋，進而導致薄膜出現(xiàn)大量斑點缺陷，使用壽命遠遠達不到正常水平［7］。
對于造價較高的靶材，如氚鈦靶而言，靶溫過高還會造成氚氣釋放，影響靶的熱穩(wěn)定性及使用壽命［8－9］。因此，磁控濺射靶都會設置冷卻系統(tǒng)，通過冷卻水帶走離子轟擊靶材產(chǎn)生能量的約70%［10］，從而保證濺射過程的穩(wěn)定性。目前針對鈦靶制造工藝的研究很多，但對鈦靶磁控濺射鍍膜過程中的冷卻研究卻很少，因為測量靶面溫度本身就存在難度［11－13］。隨著計算機相關軟件的開發(fā)和應用，為鈦靶的冷卻模擬提供了平臺。本研究基于FLUENT軟件對磁控濺射過程中鈦靶的冷卻系統(tǒng)進行模擬，通過改變水流入口速度和水流通道結構，對冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化，以達到控制鈦靶溫度、提高鈦靶壽命及磁控濺射穩(wěn)定性的目的。
1、鈦靶冷卻系統(tǒng)的建立與仿真
1.1物理模型的建立
圖1為鈦靶冷卻系統(tǒng)的物理模型，鈦靶(r=75mm，t=8mm)和銅背板(r=100mm，t=14mm)組成。其中銅背板內(nèi)部刻有蛇形冷卻通道結構，如圖1a所示。冷卻水進出口(截面尺寸為20mm×5mm)分布在同一側，水流進入背板后，經(jīng)過三次轉折流出背板，設計該結構的目的是為了增加水流的湍流效果，增強換熱效率。整個冷卻系統(tǒng)在LUENT的前處理器GAMBIT中進行建模并劃分網(wǎng)格［14］，圖1b為簡化后的鈦靶磁控濺射冷卻系統(tǒng)計算模型。
1.2邊界條件設置
鈦靶冷卻系統(tǒng)的建模包括三部分:銅背板、鈦靶和冷卻水，在FLUENT中進行計算之前，需要設置合適的邊界條件來保證計算結果的正確性。假設在冷卻過程中，流體流動為穩(wěn)態(tài)流動，流體設為湍流模型，即雷若數(shù)介于2530～5050之間，選擇標準的k-ε模型。在流體換熱的過程中，由于鈦靶表面局部溫度會高達幾百攝氏度，所以會有很少一部分液體形成蒸汽，但在模擬過程中，為了簡化計算模型，這部分相變產(chǎn)生的蒸汽忽略不計［15］。流體入口設為VELOCITY-INLET，溫度設為288K，速度為0.5、1.0、1.5m/s，出口設為OUTFLOW。在磁控濺射過程中，大部分的電能都通過離子轟擊作用轉化為靶材的熱能，故將鈦靶表面設置為一個發(fā)熱壁面(HEATWALL)，熱流密度為100kW/m2。
由于背板對鈦材換熱影響較小，設置為WALL，所有的壁面都為無滑移邊界條件［16］，具體的設置如表1所示。
1.3模擬結果分析
圖2為蛇形冷卻通道的鈦靶表面溫度分布云圖以及水流速度分布云圖。由圖2a可知，當水流入口速度為0.5m/s時，在冷卻通道的空白處對應的鈦靶表面換熱效果比較差，熱量聚集在此處無法被有效轉移，靶面局部最高溫度可以達到530K;當水流入口速度分別增加到1.0m/s和1.5m/s時，鈦靶表面最高溫度分別為492K和477K。為了便于比較，將三種水流入口速度對應的溫度分布圖放在同一個溫度刻度表內(nèi)進行比較。通過對比可知:隨著入口水流速度的增加，鈦靶表面整體溫度有明顯的下降，說明水流入口流速在很大程度上影響著換熱效果［17］。
圖2b為蛇形冷卻通道的水流速度分布情況。在結構的限制下，水流發(fā)生強制轉折，故湍流效果較明顯，水流的流動軌跡大致成“M”形狀，但湍流效果隨著水流速度的增加效果沒有太大的變化。
2、鈦靶冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設計與分析
2.1鈦靶冷卻通道結構的改進
針對上述模擬結果提出的問題，提出了如下優(yōu)化結構，如圖3所示。
優(yōu)化結構的冷卻通道為平面結構，該結構較蛇形結構簡單，冷卻水的進出口(截面尺寸為20mm×5mm)位于同一軸線上。該結構的設計目的是增大水流換熱面積，增強換熱效率，同時通過在鈦靶表面上增加均勻分布的小圓柱體結構(r=5mm，H=2mm)來加強水流的湍流效果。圖3b為簡化后的計算模型，分別為背板和水流通道模型。在冷卻模擬的過程中，邊界條件的設置與上文相同，分別取入口水流速度為0.5、1.0、1.5m/s，模擬結果如圖4所示，其中圖4a為鈦靶冷卻系統(tǒng)的溫度分布云圖，圖4b為水流速度分布云圖。由圖4a可以看出，當水流入口速度為0.5m/s時，鈦靶表面最高溫度達到464K，與優(yōu)化前相比降低63K，說明優(yōu)化后的結構有利于提高冷卻系統(tǒng)的換熱效率。隨著入口水流速度的增加，鈦靶表面溫度分布有所改善，高溫區(qū)域逐漸減少，并在入口水流速度為1.5m/s時最好。
結合冷卻系統(tǒng)的水流速度分布云圖(圖4b)可知，隨著水流入口速度的增加，湍流效果顯著增強，水流的速度分布在進出口軸線的兩側形成漩渦，冷卻水與鈦靶表面之間的換熱增強，因此鈦靶表面的平均溫度降低。但該結構仍然存在弊端，整個鈦靶表面的溫度分布并不均勻，在水流出口處兩側形成了半圓環(huán)狀的高溫區(qū)域。
在鈦靶表面建立半徑為50mm的環(huán)形(鈦靶表面高溫環(huán)形區(qū)域)，其溫度變化趨勢圖如圖5所示。
從冷卻水的入口到出口方向看，鈦靶表面環(huán)形區(qū)域溫度整體呈現(xiàn)遞增的趨勢，溫度值波動較大造成鈦靶表面溫度分布不均，所以有必要對冷卻系統(tǒng)結構進行進一步的優(yōu)化。
鑒于以上分析結果，結合冷卻通道本身是圓柱形內(nèi)腔，如果水流沿著內(nèi)腔切向方向進入，水流流動的阻力就會大大減小，所以在上述平面冷卻通道結構的基礎上，將進出口改為沿內(nèi)壁切向，并研究不同進出口夾角對冷卻效果的影響。
2.2水流進出口方向對鈦靶換熱效率的影響
水流進出口方向沿著冷卻內(nèi)墻壁切向的結構如圖6所示，分別是夾角α為135°、150°、180°時的三種背板結構。在冷卻模擬的過程中，邊界條件的設置與上文相同，將三種不同的冷卻系統(tǒng)結構分別導入FLUENT中進行冷卻模擬，其中水流進口速度均設置為1.5m/s，經(jīng)過100次迭代后計算結果已經(jīng)收斂。模擬結果如圖7所示，其中圖7a為進出口水流速度矢量夾角α為135°、150°、180°時冷卻系統(tǒng)的水流速度分布云圖，圖7b為冷卻水流動軌跡圖。
由圖7a可以看出，冷卻水沿著內(nèi)腔切線的流入方式能有效改善速度分布情況，更符合內(nèi)腔本身的結構特點。水流速度在進出口附近比較大，這是由于在進出口與內(nèi)腔的連接處水流截面面積發(fā)生突增，導致速度突降，但水流速度的降低勢必會影響冷卻水與鈦靶的換熱效率，這也是在鈦靶表面均勻布置凸起小圓柱體的原因。通過在鈦靶表面均勻布置凸起的小圓柱體，能有效增強水流湍流效果，增加冷卻水與鈦靶表面的碰撞強度，在流動過程中將熱量進行有效轉移，提高冷卻系統(tǒng)的換熱效率。由圖7a還可以看出，隨著進出口距離的增大，冷卻內(nèi)腔速度分布更加均勻，并在進出口呈相對平行布置時效果達到最佳，這對鈦靶表面的溫度分布有一定程度的改善。
由圖7b可以明顯看出水流進入冷卻系統(tǒng)后，入口附近的流線分布較密集，而且在進出口之間會形成完整的漩渦，尤其在α角比較小時更為明顯。在冷卻系統(tǒng)內(nèi)腔結構的限制下，水流軌跡從入口到出口形成了一定半徑的圓弧，且距離進出口越遠，圓弧軌跡半徑越大，同時流線分布也越稀疏。這是因為距離進出口越遠的區(qū)域水流速度越小，能量相對較弱，因此會出現(xiàn)流線稀疏的現(xiàn)象，甚至在出口附近會形成空白。但隨著α角的增大，流線的整體分布情況會有所改善，在進出口呈相對平行布置時的流線分布較為理想。
為了更加直觀地呈現(xiàn)不同進出口布置下鈦靶表面的溫度分布情況，在FLUENT后處理中，將鈦靶表面溫度數(shù)據(jù)導出并通過origin進行數(shù)值分析，得出如圖8所示的鈦靶表面溫度分布云圖。
由圖8a可知，當夾角α為135°時，鈦靶表面的高溫區(qū)域集中在距離進出口較遠的區(qū)域，最高溫度值達到447K。由圖8b、c可以看出，隨著α角的增大，高溫區(qū)域逐漸減小，并在進出口呈平行布置時最小，且鈦靶表面最高溫度為440K。數(shù)值分析結果與上述流場分析結果一致，證明了當冷卻水的入口速度保持不變時，水流進出口速度矢量夾角對鈦靶表面冷卻效果具有較大的影響，當夾角增加至180°，即進出口呈平行布置時，鈦靶表面冷卻效果最好。
圖9為當水流流速為1.5m/s且進出口呈相對平行(α=180°)時水流分別沿著圖3和圖6c所示的進出口方向流入冷卻系統(tǒng)時的鈦靶表面溫度分布情況。從圖中可以明顯看出優(yōu)化后的鈦靶表面溫度分布更均勻，且平均溫度也有所降低，也進一步的說明優(yōu)化后的結構是合理的。
3、結論
基于FLUENT軟件對鈦靶的冷卻系統(tǒng)進行仿真并做出合理優(yōu)化，得到的主要結論如下:
(1)平面冷卻通道結構的換熱效果優(yōu)于蛇形冷卻通道結構，同時水流入口速度對冷卻系統(tǒng)的換熱效率有較大的影響，隨著水流入口速度的增加，靶面整體溫度顯著降低。
(2)提高冷卻系統(tǒng)的換熱效率應兼顧換熱面積最大化以及冷卻水的湍流效果，針對平面冷卻通道而言，靶面均布凸起小圓柱體結構能有效增加水的湍流效果，提高冷卻水與靶材的換熱效率。
(3)冷卻水沿著內(nèi)腔的切線進出更符合冷卻系統(tǒng)結構本身的特點，流體軌跡在腔體內(nèi)呈旋轉狀，流體湍流效果較好，系統(tǒng)的冷卻效率明顯提高。且當水流進出口呈相對平行時靶面最高溫度最小，整個靶面溫度分布也更均勻。
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