大批量微細(xì)刀具HFCVD涂層制備的溫度場仿真與試驗(yàn)分析

　　采用熱絲化學(xué)氣相沉積法制備金剛石涂層微細(xì)刀具的過程中，刀具表面溫度場分布的均勻性與穩(wěn)定性對金剛石涂層的質(zhì)量具有決定性的作用。本文采用有限容積法，對微細(xì)刀具表面沉積金剛石涂層過程中的溫度場分布進(jìn)行了仿真研究，采用Taguchi正交試驗(yàn)法考察了熱絲直徑d、熱絲高度H、熱絲間距D 以及熱絲長度L 對溫度場均勻性的影響，并獲得了最優(yōu)參數(shù)組合，即d=0.65mm，H=12mm，D=27mm以及L=160mm。對比仿真與實(shí)際測溫試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者之間偏差不超過4%，驗(yàn)證了仿真模型具有較高精度。采用仿真獲得最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行的沉積實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，放置在沉積區(qū)域不同位置的微細(xì)刀具表面均被涂覆了一層厚度均勻、組織結(jié)構(gòu)良好的金剛石涂層，從而驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性。

　　金剛石具有優(yōu)異的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，它的硬度大、彈性模量高、熱導(dǎo)率高、摩擦系數(shù)低以及化學(xué)穩(wěn)定性好。這些優(yōu)良的特性使得金剛石材料在磨料、切削等方面得到廣泛的應(yīng)用。在人工合成金剛石的各種方法中，化學(xué)氣相沉積(CVD)法是最具發(fā)展前景和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的方法之一。熱絲化學(xué)氣相沉積(HFCVD)法的基本原理是含碳?xì)怏w(如甲烷、丙酮等)被襯底上方設(shè)置的金屬熱絲高溫加熱分解，形成的碳活性粒子在一定的溫度和壓力條件下，在基體表面形核并逐漸生長為金剛石涂層。HFCVD金剛石涂層的一個(gè)廣泛應(yīng)用就是增強(qiáng)切削刀具的切削性能，可從以下幾個(gè)方面來體現(xiàn)：①金剛石涂層與許多加工材料之間的摩擦系數(shù)很低，從而降低加工過程中的切削力和切削熱；②金剛石涂層具有極高的硬度，可以減少刀具的磨損；③金剛石涂層的化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，粘附性低，可以有效防止積屑瘤的產(chǎn)生和排屑槽的堵塞。近些年，微細(xì)刀具的應(yīng)用越來越廣泛，但由于微細(xì)刀具的直徑很小，彎曲剛度和強(qiáng)度都比較低，導(dǎo)致其耐用度較差。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為在微細(xì)刀具表面沉積一層金剛石涂層后，能有效提高微細(xì)刀具的剛度、強(qiáng)度及耐磨度，從而能夠顯著增強(qiáng)微細(xì)刀具的切削性能。

　　然而，在微細(xì)刀具表面沉積金剛石涂層的溫度區(qū)間很窄，溫度過低會導(dǎo)致氫原子對石墨刻蝕不足，影響金剛石質(zhì)量；溫度過高會使部分金剛石汽化。同時(shí)，如果襯底上的溫度分布不均勻，即使?jié)M足金剛石涂層的沉積條件，也會導(dǎo)致金剛石晶粒生長不均勻，不同位置的涂層厚度不一致。刀具表面溫度場分布的均勻性對沉積金剛石涂層質(zhì)量的好壞起著決定性的作用。

　　本文以HFCVD沉積大批量微細(xì)刀具金剛石涂層系統(tǒng)為研究對象，利用有限容積法的仿真方法，通過計(jì)算機(jī)模擬建立基體溫度場的模型，對影響基體溫度場的多個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行仿真與分析，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案。隨后，根據(jù)優(yōu)化的參數(shù)進(jìn)行微細(xì)刀具涂層的沉積和表征試驗(yàn)，以驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

　　1、建模與仿真方法

　　1.1、模型建立

　　HFCVD涂層的沉積裝置是一個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng)，如果在對該裝置進(jìn)行幾何建模時(shí)，兼顧各個(gè)部位和細(xì)節(jié)，會使建立出來的模型很復(fù)雜，導(dǎo)致仿真過程很困難。所以在利用有限容積法進(jìn)行仿真之前要對系統(tǒng)模型進(jìn)行簡化。但簡化需要盡量使鍍膜室內(nèi)的條件設(shè)置接近實(shí)際工作狀況。簡化的具體要求有以下幾點(diǎn)：①忽略了實(shí)際設(shè)備中對溫度場和氣體密度場影響很小的輔助部件(如彈片，電極柱等)。②實(shí)際的反應(yīng)氣體為碳源氣體，摻雜成分和過量氫氣的混合氣體，由于碳源氣體和摻雜成分的含量僅有1%～4%，因此可以忽略其作用，仿真模型中的氣體設(shè)為純氫氣。③在HFCVD系統(tǒng)中，鐘罩作為絕熱壁，溫度保持恒定(鐘罩為夾層結(jié)構(gòu)，夾層內(nèi)有水冷系統(tǒng)散熱)。因氣體的流速低，雷諾數(shù)小，流動狀態(tài)可定義為層流模式。④氣體設(shè)定為不可壓縮氣體，并選擇DO輻射模型進(jìn)行計(jì)算。

　　簡化后HFCVD裝置的3D模型如圖1所示，反應(yīng)室為鐘罩結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由鐘罩、熱絲、樣品臺、水冷臺、進(jìn)出氣口以及冷卻系統(tǒng)組成。其中水冷臺采用尺寸為190mm×110mm×62mm的黃銅材料，樣品臺采用170mm×90mm×32mm 的石墨材料。采用的熱絲為鉭絲，長度為160mm，數(shù)量為9，布置在微細(xì)刀具的上方。同時(shí)采用長度為38mm 的硬質(zhì)合金銑刀作為基體材料，該銑刀加工部分的直徑為0.4mm，刀具數(shù)量為17×9共153個(gè)。進(jìn)氣口在鐘罩的上方，將丙酮和氫氣的混合氣體帶入到反應(yīng)腔內(nèi)，同時(shí)在鐘罩的下方有四個(gè)成對稱結(jié)構(gòu)的出氣口。鐘罩為夾層結(jié)構(gòu)，在夾層結(jié)構(gòu)和水冷臺的下方有水冷系統(tǒng)散熱，使得在金剛石沉積過程中，維持基體溫度的穩(wěn)定。

圖1　HFCVD簡化示意圖

　　1.2、有限容積法仿真

　　首先需要將所建立的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文采用的是GAMBIT網(wǎng)格劃分軟件。在劃分網(wǎng)格之前，需要制定鐘罩內(nèi)的固體區(qū)域和氣體區(qū)域。鉭絲、微細(xì)刀具、石墨樣品臺和水冷臺是固體區(qū)域，而鐘罩內(nèi)剩余的其他部分為氣體區(qū)域。網(wǎng)格劃分時(shí)，各個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格需要獨(dú)立劃分，同時(shí)為了提高仿真計(jì)算的精度，各個(gè)區(qū)域邊界附近的網(wǎng)格需要進(jìn)行改善。

　　在利用有限容積法進(jìn)行仿真時(shí)，控制方程的選擇非常重要。由于在沉積過程中，基體表面的溫度場主要取決于熱絲的熱輻射、襯底向外的熱輻射、加熱氣體的對流換熱、襯底與工作臺的熱傳導(dǎo)等方面，因此在仿真過程中，耦合熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射這三種換熱方式。

　　最后需要定義邊界條件。首先定義各個(gè)區(qū)域所采用的材料類型，刀具部分選擇為硬質(zhì)合金，熱絲部分選擇為鉭絲，工作臺部分選擇為石墨，水冷臺部分選擇為銅，剩余氣體部分選擇為氫氣，并且在熱絲部分設(shè)定為固定溫度值，為2200℃。所采用材料的物性參數(shù)如表1所示。入口類型定義為速度入口，根據(jù)實(shí)際情況，入口的氣體速度選擇為300mL/min，初始溫度為25℃，氣體壓力為3000Pa，這樣該氣體流動便可當(dāng)作層流處理。定義所有固體和氣體區(qū)域同時(shí)參與熱輻射，同時(shí)設(shè)定鐘罩和水冷臺的壁面為換熱面，換熱系數(shù)設(shè)為50W/m2·K[10-11]。

表1　所用材料物性參數(shù)

　　1.3、Taguchi分析方法

　　為考察各個(gè)參數(shù)對仿真溫度場分布的綜合影響，本文采用Taguchi方法，通過正交試驗(yàn)，分析熱絲直徑d、熱絲距基體高度H、熱絲間距D 以及熱絲長度L 這些控制因子對襯底溫度場分布的影響。對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，包括極差分析和均方差分析，當(dāng)極差R 和均方差σ 越小時(shí)，溫度場的分布均勻性越好，以此得到合理的試驗(yàn)參數(shù)組合。所采用的Taguchi正交因素如表2所示。

表2　Taguchi正交L9表

　　4、結(jié)論

　　針對采用HFCVD 法制備金剛石涂層微細(xì)刀具的沉積過程，采用有限容積法對微細(xì)刀具表面產(chǎn)生的溫度場分布進(jìn)行了模擬仿真研究。通過對比相同條件下的模擬值與實(shí)際測溫值可以發(fā)現(xiàn)，兩者之間的偏差小于4%，這表明了該仿真模型具有較高的精度。

　　隨后，采用該模型對熱絲直徑d、熱絲高度H、熱絲間距D 以及熱絲長度L 等四種因素對刀尖表面溫度場分布的影響進(jìn)行了研究，并獲得了最優(yōu)的沉積參數(shù)。仿真結(jié)果表明，熱絲直徑是影響溫度分布均值大小的主要因素，而隨著熱絲高度的降低，熱絲間距和熱絲長度的增加，溫度場分布的均勻性增加；而最優(yōu)參數(shù)組合為：d=0.65mm，H=12mm，D=27mm以及L=160mm。

　　最后，采用優(yōu)化獲得的參數(shù)，進(jìn)行了微細(xì)刀具的金剛石沉積試驗(yàn)，并對沉積獲得的金剛石涂層微細(xì)刀具表面形貌和質(zhì)量進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，不同沉積區(qū)域的微細(xì)刀具表面均可覆蓋一層厚度均勻、組織結(jié)構(gòu)良好的金剛石涂層，這驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。