基于刀具底部散熱方式的HFCVD法沉積金剛石涂層刀具溫度場的仿真優(yōu)化*

潛藝箏， 張 韜,2， 汪 舒， 陳大奎， 黃國棟

(1.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)學(xué)院, 江蘇 無錫 214122) (2.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院, 上海 201316)

化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備的金剛石薄膜具有許多極其優(yōu)異的力學(xué)性能。同時(shí)，該方法制備的薄膜可以直接沉積在不同形狀的襯底上[1-2]。因此，CVD金剛石薄膜通常被認(rèn)為是一種理想的工業(yè)涂層，能夠延長刀具、拉拔模具等耐磨器件的使用壽命，優(yōu)化使用效果。硬質(zhì)合金(WC-Co)是一種傳統(tǒng)的耐磨材料，也是CVD金剛石薄膜沉積時(shí)常用的襯底材料[3-5]。金剛石薄膜附著在WC-Co刀具之上，可應(yīng)用于鋁、鋁硅合金、石墨、氧化鋯等材料的加工，具有廣闊的市場前景[6-7]。

熱絲化學(xué)氣相沉積法(HFCVD)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，工藝條件較易控制，特別適用于CVD金剛石涂層刀具的批量化生產(chǎn)[8]。在批量制備刀具涂層的過程中，CVD金剛石涂層厚度及粒度的均勻性直接影響刀具的使用壽命及零件的加工質(zhì)量[9]。目前，在大批量制備涂層刀具時(shí)，如何最大程度地提升刀具不同方向上涂層的均勻性，是實(shí)現(xiàn)CVD金剛石涂層刀具高效優(yōu)質(zhì)批量制備的難點(diǎn)之一。

CVD金剛石刀具涂層的均勻性主要受氣相沉積時(shí)刀具襯底及周圍氣體溫度的影響[10]。目前，國內(nèi)外很多研究人員通過采用計(jì)算機(jī)模擬的方法，成功地金剛石薄膜沉積時(shí)的襯底溫度分布情況[10-12]。但現(xiàn)有的研究成果中，僅考慮到熱輻射對(duì)襯底溫度的影響而忽視了熱傳導(dǎo)或熱對(duì)流在試驗(yàn)中的影響，這使得模擬結(jié)果與實(shí)際溫度有一定偏差，且模擬溫度要低于實(shí)際溫度，偏差在50～100 ℃范圍內(nèi)。WANG等[13-16]在前期的工作中提出了利用有限容積法，在耦合熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流或熱輻射等3種傳熱方式下，對(duì)HFCVD系統(tǒng)內(nèi)的溫度場進(jìn)行仿真，該方法的仿真結(jié)果與實(shí)際沉積系統(tǒng)的溫度吻合性更好。

在批量沉積金剛石涂層刀具的過程中，影響刀具溫度均勻性的因素還包括：熱絲尺寸、排布方式、刀具底部散熱方式等。其中，對(duì)于熱絲尺寸及排布方式，在前期的研究工作中已取得了不少成績[17-18]。本試驗(yàn)將利用FLUENT流體分析軟件，對(duì)用GAMBIT軟件建立的HFCVD批量沉積刀具反應(yīng)系統(tǒng)的三維模型進(jìn)行模擬計(jì)算，并采用耦合熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射的有限容積法，對(duì)刀體溫度的分布狀況進(jìn)行模擬預(yù)測，并對(duì)影響刀體溫度均勻性的刀具底部支撐臺(tái)材料散熱方式進(jìn)行優(yōu)化處理，以期在復(fù)雜形狀的刀具上沉積出高效、均質(zhì)的金剛石涂層。

1 合成金剛石涂層復(fù)雜形狀刀具仿真優(yōu)化

刀體溫度場模擬計(jì)算過程大致可分為7步:(1)提出假設(shè)條件并建立簡化沉積系統(tǒng)模型;(2)建立網(wǎng)格模型;(3)設(shè)置流固體邊界條件;(4)壓力、溫度等初始條件設(shè)定;(5)鉭絲、氫氣等材料屬性設(shè)定;(6)確定控制方程;(7)模型計(jì)算。

1.1 仿真建模及網(wǎng)格劃分

為了避免仿真過于復(fù)雜，對(duì)仿真做出如下簡化以及相應(yīng)假設(shè)[15-16]: 排除壓力值對(duì)仿真結(jié)果的影響，將金剛石沉積的壓力設(shè)為常規(guī)壓力，反應(yīng)腔內(nèi)壓力設(shè)置為恒定值; 排除反應(yīng)腔內(nèi)其他氣體的作用，腔體內(nèi)僅存在H2，而反應(yīng)產(chǎn)生的CH4含量很低(約為1%～2%)，忽略不計(jì); 排除反應(yīng)室化學(xué)反應(yīng)放熱; 仿真中將實(shí)際刀具簡化為圓柱棒以減小劃分網(wǎng)格的難度以及減少計(jì)算量。

根據(jù)HFCVD的實(shí)體裝置，借助GAMBIT軟件來建立計(jì)算模型并進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格劃分。簡化的三維計(jì)算模型如圖1所示：水冷工作臺(tái)長為200 mm，寬為130 mm，壁厚為5 mm；25把直徑為φ10 mm的銑刀置于尺寸為200 mm×130 mm×30 mm的支撐臺(tái)上(該支撐臺(tái)的材料為仿真的優(yōu)化對(duì)象)；長度為150 mm，直徑為φ0.6 mm的6根鉭絲等間距固定于刀具襯底上方；甲烷和氫氣的混合氣體從容器左下方的進(jìn)氣口進(jìn)入反應(yīng)腔內(nèi)，從容器右下方的出氣口流出。在此基礎(chǔ)上，利用GAMBIT軟件對(duì)此3D模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。需要注意的是，流體和固體部分應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，但與流固體相接觸的曲面應(yīng)設(shè)定為普通接觸面。

圖1 HFCVD系統(tǒng)的仿真模型

為了提高計(jì)算精度，刀具襯底與熱絲周圍的計(jì)算區(qū)域需要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化(圖2)。根據(jù)以上條件，得到的計(jì)算模型總的網(wǎng)格數(shù)為2 813 600個(gè)，面網(wǎng)格數(shù)為5 808 856個(gè)，節(jié)點(diǎn)587 039個(gè)。

圖2 網(wǎng)格細(xì)化模型及刀具編號(hào)圖

1.2 控制方程的確定

根據(jù) HFCVD法沉積金剛石的原理，我們將通過熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流等3種傳熱方式，對(duì)刀具襯底溫度分布進(jìn)行研究。根據(jù)這3種傳熱方式，明確最終參加計(jì)算的方程應(yīng)為：連續(xù)方程、動(dòng)量方程、氣體狀態(tài)方程、輻射方程以及能量方程[15]。

1.3 邊界條件的確立與計(jì)算

邊界條件是控制方程有確定解的前提，對(duì)于任何問題，都需要給定邊界條件。在所要進(jìn)行仿真計(jì)算的三維網(wǎng)格模型中，我們將對(duì)流體、固體2大部分分別定義邊界條件：

(1)流體部分(FLUID)：設(shè)定腔室內(nèi)流體材料為氫氣。為保證銑刀各處金剛石薄膜生長速率和質(zhì)量的均勻性，在通常情況下，氣體的流速會(huì)設(shè)定較低的值，一般為800 cm3/min，進(jìn)出氣口直徑為φ10 mm。這樣的情況下，馬赫數(shù)Ma(流場中某點(diǎn)的流速v與該點(diǎn)的當(dāng)?shù)芈曀賑之比)可以更好地表達(dá)流動(dòng)特點(diǎn)。在流體密度不變的不可壓縮流中，當(dāng)聲速c=∞時(shí),Ma=0。從Ma≈0.3時(shí)起，就不能忽略流體的壓縮性影響。在流動(dòng)過程中，Ma愈大，氣體的可壓縮性就愈大。因此，從空氣動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)來看，Ma能更好地表示氣體流動(dòng)的特點(diǎn)。Ma計(jì)算見式(1):

(1)

其中：v的值為0.17 m/s，c的值為1 295.00 m/s。此時(shí)，Ma<<0.3，所以氫氣可作為不可壓縮流動(dòng)氣體。

用雷諾數(shù)Re來判斷黏性流體的流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)Re<2 300時(shí)，腔內(nèi)流體近于層流，較穩(wěn)定；當(dāng)Re≥2 300時(shí)，流體近于紊流。Re的計(jì)算見式(2)：

(2)

其中：ρ為流體密度，其值為0.089 9 kg/m3;v為流體的速度，其值為0.17 m/s;d為進(jìn)出氣口的當(dāng)量直徑，其值為0.01 m；μ為黏性系數(shù)，其值為0.01 mPa·s。

此時(shí)，Re<<2 300，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果幾乎不產(chǎn)生影響。

通過式(2)可以確定流動(dòng)模型的流動(dòng)狀態(tài)是層流，也就是說流體會(huì)沿著管軸方向做直線運(yùn)動(dòng)。

(2) 固體部分(SOLID)：在該模型中將熱絲、銑刀、支撐臺(tái)、水冷工作臺(tái)等固體部分設(shè)定為參與輻射計(jì)算的部分。實(shí)際反應(yīng)時(shí)，熱絲的實(shí)際溫度一般在2 000 ～2 400 ℃，這里設(shè)定為2 200 ℃。將鐘罩和工作臺(tái)(水冷工作臺(tái)和支撐臺(tái))定義為wall，由于反應(yīng)腔的鐘罩和水冷工作臺(tái)中均含有水冷散熱系統(tǒng)，設(shè)定wall的傳熱系數(shù)為6 W/(m2·K) 來代替水冷效果。環(huán)境條件主要包括反應(yīng)腔的初始溫度及壓力。在計(jì)算時(shí)，設(shè)定反應(yīng)時(shí)鐘罩內(nèi)的初始溫度為25 ℃；HFCVD系統(tǒng)沉積金剛石過程中，壓力接近恒定值，定義在3 kPa 較為合理。仿真中相關(guān)材料屬性的定義可參見表 1。為了分析支撐臺(tái)對(duì)刀具襯底溫度的影響，選擇了銅、石墨、陶瓷3種不同的支撐臺(tái)材料。按上述步驟完成參數(shù)設(shè)定，經(jīng)過10～24 h的運(yùn)算，可獲得HFCVD系統(tǒng)各物理場的計(jì)算結(jié)果。

表1 相關(guān)材料屬性

2 影響溫度場均勻性參數(shù)的分析優(yōu)化

在FLUENT模擬試驗(yàn)過程中，腔室內(nèi)的銑刀是以進(jìn)氣口和出氣口所在位置的連線成鏡像對(duì)稱分布的，而對(duì)稱的銑刀刀身溫度差較小，約為±1 ℃，可忽略。因此，只需分析1～15號(hào)銑刀即可，刀具編號(hào)如圖2所示。此外，在對(duì)各銑刀溫度進(jìn)行整理的時(shí)候，選取圓柱形銑刀中心軸為基準(zhǔn)，以10 mm間隔為1個(gè)溫測點(diǎn)，提取軸上各個(gè)位置的溫度，以此來體現(xiàn)整個(gè)銑刀的表面溫度變化情況，便于后期對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

通過FLUENT對(duì)HFCVD三維模型進(jìn)行計(jì)算，得出銑刀在不同位置上的溫度分布，如圖 3所示。

(a) 銅 Cu(b) 石墨 Graphite(c) 陶瓷 Ceramics

圖3中：從單個(gè)銑刀的角度來看，刀身從上到下溫度逐漸降低；從整體腔內(nèi)的所有銑刀分布來看， 15號(hào)(中間位置)銑刀溫差最小。且當(dāng)陶瓷作為支撐臺(tái)材料時(shí)，整體刀身溫差浮動(dòng)最小。

2.1 不同支撐臺(tái)材料對(duì)Z 軸溫度分布的影響

(1)銅制支撐臺(tái)

1～15號(hào)銑刀沿Z軸溫度的最大值Tmax、最小值Tmin及差值ΔT如表 2所示：

表2 各刀具的仿真溫度Tmax，Tmin及ΔT(銅制支撐臺(tái))

從表 2可以看出：位于中間的13號(hào)銑刀的表面溫度Tmax最高，為883.23 ℃；3號(hào)刀具的表面溫度Tmin最低，為794.38 ℃；ΔT最大的是8號(hào)銑刀，為88.33 ℃；25把涂層銑刀的溫度范圍為794.38～883.23 ℃，溫差范圍為77.78～88.33 ℃。根據(jù)式(3)可計(jì)算出各個(gè)銑刀的平均溫差為83.11 ℃。

(3)

(2)石墨制支撐臺(tái)

以石墨為支撐臺(tái)進(jìn)行仿真后，1～15號(hào)銑刀沿Z軸溫度的Tmax、Tmin及ΔT如表 3所示。

表3 各刀具的仿真溫度Tmax，Tmin及ΔT(石墨制支撐臺(tái))

從表 3可以看出：石墨制支撐臺(tái)的刀具溫度分布狀況與銅制的類似，13號(hào)銑刀的表面溫度Tmax最高， 為920.05 ℃；5號(hào)刀具的表面溫度Tmin最低， 為857.67 ℃；ΔT最大的是13號(hào)銑刀，為61.11 ℃；25把銑刀的溫度范圍為857.67～920.05 ℃，溫差范圍為52.09～61.11 ℃。根據(jù)式(4)計(jì)算出各個(gè)銑刀的平均溫差為57.17 ℃。

(4)

(3)陶瓷制支撐臺(tái)

以陶瓷材料為支撐臺(tái)進(jìn)行仿真后，1～15號(hào)銑刀沿Z軸溫度的Tmax、Tmin及ΔT如表 4所示。從表 4中的數(shù)據(jù)可以看出：13號(hào)銑刀的表面溫度Tmax最高，為955.65 ℃；5號(hào)銑刀的表面溫度Tmin最低，為907.75 ℃；ΔT最大的是8號(hào)銑刀，為38.59 ℃；25把銑刀的溫度范圍為907.75～955.65 ℃，溫差范圍為36.56～39.67 ℃。根據(jù)式(5)可計(jì)算出各個(gè)銑刀的平均溫差為37.82 ℃。

(5)

表4 各刀具的仿真溫度Tmax，Tmin及ΔT(陶瓷制支撐臺(tái))

將表2、表3、表4進(jìn)行對(duì)比，可以看出刀具襯底溫度與其底部的散熱材料密切相關(guān)。支撐臺(tái)作為中間隔熱層, 較低的導(dǎo)熱系數(shù)可以減少水冷工作臺(tái)溫度(其溫度接近常溫)對(duì)沉積刀具溫度的影響，有利于提高刀具襯底的溫度的均勻性。在仿真中，與傳統(tǒng)的銅制支撐臺(tái)相比，陶瓷制支撐臺(tái)對(duì)應(yīng)的各個(gè)銑刀的平均溫差降低了45 ℃。如式(6)所示，通過對(duì)比3種方案的溫差均值也可以發(fā)現(xiàn)：使用陶瓷材料制成的支撐臺(tái)對(duì)HFCVD法批量制備金剛石涂層銑刀的溫度均勻性的控制更好。

(6)

沉積多晶金剛石薄膜時(shí)，所允許的襯底溫度一般維持在600～1 000 ℃[14]。如果采用熱導(dǎo)率過低的材料作支撐臺(tái)，極有可能導(dǎo)致襯底溫度過高，超過金剛石沉積的允許溫度值。本試驗(yàn)所采用的3種材料，其對(duì)應(yīng)刀具的溫度極值均在允許沉積的范圍之內(nèi)。

2.2 不同支撐臺(tái)材料對(duì)溫度分布的影響

在Z軸同一位置，不同刀具之間最大溫差分布詳見表 5(數(shù)據(jù)來源于圖3)。由表5可以看出：3組樣品(對(duì)于不同的支撐臺(tái)材料)最大溫差都出現(xiàn)在dz=70 mm的位置上；在70～100 mm的范圍內(nèi)，3組樣品在同一位置的溫差幾乎相同；在0～70 mm的范圍內(nèi)，銅和石墨支撐臺(tái)在XY平面內(nèi)，反而展現(xiàn)了更優(yōu)異的刀具溫度均勻性。但總體來說，與單個(gè)刀具在Z軸上仿真溫差數(shù)據(jù)相比(表2～表4)，不同刀具在同一XY平面內(nèi)的溫度均勻性都較好，最大溫差也僅為15.24 ℃。這說明了刀具底部的散熱材料對(duì)XY平面內(nèi)的襯底溫差影響并不顯著。事實(shí)上，前期的工作中已證實(shí)了XY平面內(nèi)的襯底的溫度分布主要取決于熱絲的排布方式[15]。特別地，采用該仿真方法得到的仿真溫度與實(shí)際溫度的誤差較小，為3%～5%[13,15-16]。

表5 當(dāng)Z 值固定時(shí)，各銑刀在XY面內(nèi)溫差情況

3 結(jié)論

襯底溫度是影響HFCVD法批量沉積金剛石涂層刀具質(zhì)量的關(guān)鍵因素，而影響襯底溫度分布均勻性的因素主要包括熱絲排布方式以及刀具底部的散熱方式。

我們聚焦于刀具底部散熱方式的優(yōu)化問題，并運(yùn)用GAMBIT網(wǎng)格劃分構(gòu)造三維模型，再通過FLUENT仿真軟件采用耦合熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射的有限容積法對(duì)其進(jìn)行仿真分析并觀察其襯底的溫度分布情況，進(jìn)而做了對(duì)比分析。

仿真結(jié)果顯示：刀具底部支撐臺(tái)的材料屬性對(duì)單個(gè)刀具體的溫度分布影響較大，對(duì)多個(gè)刀具在Z軸同一位置上的溫度均勻性影響較小；此外，相較于傳統(tǒng)的銅質(zhì)臺(tái)和石墨質(zhì)臺(tái)，采用熱導(dǎo)率小的陶瓷材料為支撐臺(tái)時(shí)，刀體平均溫差最小，為37.82 ℃，比采用銅材料為支撐臺(tái)時(shí)的刀體平均溫差降低了45 ℃。該仿真優(yōu)化結(jié)果更有利于批量制備膜厚、質(zhì)量均勻的CVD金剛石涂層刀具。