CVD金刚石涂层拉丝模温度场数值分析.docx

1、CVD金刚石涂层拉丝模温度场数值分析http : ZZHDchinajournalnetcn E-mail :ZZHDchainajournalnetcn 机械制造与自动化 基金项目 :国家自然科学基金 (No51075211 ; 南京航空航天大学 2010年度研究生创新基金 作者简介 :黄美健 (1987 , 男 , 湖北荆门人 , 硕士 , 研究方向为表面工程技术 。CVD 金刚石涂层拉丝模温度场数值分析黄美健 , 左敦稳 , 卢文壮 , 徐锋 , 张旭辉(南京航空航天大学 机电学院 , 江苏 南京 210016摘要 :衬底温度是热丝化学气相沉积 (HFCVD 制备金刚石薄膜的重要参数之一

2、 , 在拉丝模表面沉积 CVD 金刚石涂层时 , 均匀的衬底温度场显得尤为重要 。 对 HFCVD 系统中制备 CVD 金刚石涂层时拉丝模衬底温度场进行数值分析 , 得到了拉丝模温度场的分布和热丝参数对衬底温度场的影响规律 ,为 CVD 金刚石涂层拉丝模的制备提供重要指导 。 关键词 :热丝化学气相沉积 ; 金刚石薄膜 ; 拉丝模 ; 温度场 ; 数值分析中图分类号 :TG17文献标志码 :A 文章编号 :1671-5276(2012 02-0024-04Numerical Analysis of CVD Diamond Wire Drawing Temperature FieldHUANG

3、Mei-jian , ZUO Dun-wen , LU Wen-zhuang , XU Feng , ZHANG Xu-hui (College of Mechanical and Electrical Engineering , Nanjing Universityof Aeronautics Astronautics , Nanjing 210016, China Abstract :Substrate temperature is one of the key parameters in diamond hot filament chemical vapor deposition (HF

4、CVD Uniformsubstrate temperature field is even more important in diamond deposition on the interior surface of wire drawingThis paper carries out numerical analysis of the temperature field of wire drawing in HFCVD system and obtains the temperature distribution and the in-fluence characteristics of

5、 the hot filament parameters on the magnitude and uniformity of substrate temperature field , which provide a guide for the fabrication of the CVD diamond wire drawingKey words :hot filament chemical vapor deposition (HFCVD ; diamond film ; wire drawing ; temperature field ; numerical analysis0引言拉丝模

6、是各种金属线材生产厂家拉制线材的一种非常重要的模具 , 广泛应用于拉拔棒材 、 线材 、 丝材 、 管材等 领域 。 但拉丝模的易消耗性 , 大大增加了拉丝费用 。 CVD 金刚石以其高硬度 , 高耐磨性 , 低摩擦系数以及高表面光 洁度的良好性能成为了拉丝模最具前景的材质之一 , 为拉丝模行业带来了新的活力 1。热丝化学气相沉积法 (HFCVD 由于设备简单 , 参数 易于控制 , 成本低而被广泛应用于各种金刚石产品的生产 中 。 HFCVD 制备金刚石过程中 , 衬底温度场是影响金刚石涂层品质的关键因素之一 2。 目前 , 有些学者对 HF-CVD 法衬底温度场开展了一系列的研究 , 取得

7、了一些成 果 3-5, 但对 HFCVD 法 衬 底 温 度 场 的 研 究 往 往 基 于 平 面衬底 , 对 于 曲 面 衬 底 温 度 场 的 研 究 很 少 。 本 文 运 用ansys110对 HFCVD 金刚石沉积过程中拉丝模的温度场 进行了数值分析 , 讨论了热丝参数对衬底温度场的影响 , 对拉丝模表面 CVD 金刚石涂层的均匀制备具有重要的指 导意义 。1拉丝模温度场的有限元模型HFCVD 法沉积金刚石过程中热量传递主要以热辐射的形式发生 , 衬底温度的空间分布主要受热丝的热辐射影响 , 热传导和热对流作用影响较小 6。 而在拉丝模内表 面沉积金刚石时 , 为保证拉丝模的温度达

8、到可沉积金刚石 的温度范围且温度分布均匀 , 应尽量减少拉丝模与其他物 体的接触 , 从而减少由热传导造成的热量的散失以及温度 的不均匀性 。 因此 ,在对拉丝模温度场进行分析时可以忽 略由热传导和热对流传递的热量 , 仅考虑热辐射 。 采用 ansys110进行有限元建模 , 拉丝模和热丝采用 solid70单元 , 拉丝模和热丝表面上覆盖 shell57单元 , 在分 析热辐射时将辐射以载荷的形式施加在 shell57上 。 面与 面的辐射角系数采用 AUX12矩阵生成器计算并将其作为 超单元进行热分析 ,超单元选用 matrix50。 分析采用的系 统为开放系统 , 需定义一个空间节点

9、, 用于吸收未被模型 吸收的能量 , 以达到能量平衡 。 拉丝模材料为硬质合金 YG8, 热丝采用钨丝 。 不同尺寸的拉丝模在沉积金刚石时 , 热丝排列方式有 所不同 。 拉丝模的结构为中心轴对称 , 为保证内表面的温 度均匀 , 最理想的热丝排列方式是热丝圆柱阵列排布在拉 丝模内孔中 。 随着拉丝模孔径的减小 , 热丝数量也要相应 减少 ,最终可以是单根热丝位于拉丝模中心轴位置 。 但当 孔径小到不再适合热丝穿过时 , 就不得不采用在拉丝模进 口区上方平面阵列热丝的方式 。 图 1为对应于三种不用热丝排列方式 、公称直径分别为 30mm , 5mm , 3mm 的拉 丝模温度场仿真的有限元模

10、型 。42 Mac hine BuildingA utomation , A pr 2012, 41(2 :24 27研究沉积过程中衬底表面温度场分布情况 , 分析类型 为稳态分析 , 选用 Frontal Solver 求解器 。 所有输入温度采 用摄氏温度 。热丝数量 n , 热丝温度 T f , 热丝直径 d f , 热丝阵列直径 d 阵列 (热丝阵列形成的圆柱面的直径 、 热丝间距 T f 以及热 丝与衬底距离 d f 都是影响拉丝模温度的重要参数 , 本文对 其分别进行了分析 。2结果与分析21拉丝模内表面温度分布图 2所示分别为三种拉丝模内表面的温度分布图 。图中可以看出 , 三种

11、热丝排列方式下的拉丝模内表面温度整体均呈中心轴对称分布 ,在周向方向上的温度比较 均匀 , 在轴向方向上温度呈梯度分布 。 但是 , 三种热丝排列方式下拉丝模内表面的高温和低温区域有所不同 。 圆柱阵列和单根热丝排列方式下 , 拉丝模内表面温度在 定径区最高 , 而在进口区处最低 ; 平面阵列热丝排列方 式下 , 拉丝模内表面温度则在进口区最高 , 而在出口区最低 。 这是因为距离热丝近的位置与热丝之间的辐射角系数大 , 因而接受的辐射热量多 , 温度较高 。鉴于拉丝模内表面温度的均匀性是由其轴向温度决定 的 , 因而在之后的分析中将采用轴向温度作为参考 。22热 丝 参 数 对 拉 丝 模

12、内 表 面 温 度 的 影响本文主要研究热丝数量 n , 热丝温度 T f , 热丝直径 d f , 热丝阵列直径 d 阵列 (热丝阵列形成的圆柱面的直径 、 热丝间距 T f 以及热丝与衬底距离 d f 对拉丝模内表面温度的 影响 , 结果如图 3所示 (z 坐标为拉丝模高度方向 ,z =0处 为拉丝模出口区端面位置 。52 http : ZZHDchinajournalnetcnE-mail :ZZHDchainajournalnetcn 机械制造与自动化 图 3所示为热丝数量 、 热丝直径 、 热丝阵列直径以及 热丝温度对圆柱阵列热丝排列方式下拉丝模内表面温度 的影响 。 从图中可以看出

13、 , 其他参数不变的情况下 , 随着 热丝数量的增加 , 衬底温度是逐渐升高的 (图 3(a 。 这是因为热丝数量的增加增添了辐射源 ,使得内表面接收的 热丝辐射热量增加 , 因而温度升高 。 热丝每增加一根 , 内表面温度升高大概 40 。 热丝直径的增大也使得内表面 的温度升高 (图 3(b 。 热丝直径的增加使得热丝辐射 表面积增加 ,与辐射表面积成正比的辐射热量也随之增 加 , 因而内表面温度增加 。 随着热丝直径的增大 , 内表面 的温度升高幅度有所减小 ,热丝直径从 04mm 到 10mm 每增 大 02mm , 内 表 面 温 度 分 别 升 高 100 , 80 , 60 。

14、当热丝阵列直径增大时 , 内表面温度随之升高 , 但 继续增大热丝阵列直径又会使其温度下降 (图 3(c 。 这是由拉丝模衬底以及热丝分布的圆周形状所决定的 。 热 丝阵列直径增加时 , 热丝一方面将靠近其辐射的一部分衬 底表面而另一方面又远离其辐射的另一部分衬底表面 , 因 而出现衬底温度变化趋势不明显的现象 。 这也造成了热 丝阵列直径变化时 , 拉丝模温度的变化并不是很大 。 热丝 温度的升高使得拉丝模内表面温度随之升高 , 热丝温度每 升高 100 , 内表面温度将升高大约 35 (图 3(d 。 由 于热丝向外辐射的能量与温度的四次方成正比 , 热丝温度的升高必然使其辐射能力增强 ,

15、拉丝模温度也随之升高 。 图 4、 图 5分别为单根热丝和平面阵列热丝排列方式下热丝参数与拉丝模内表面温度的关系曲线 。 其中 , 热丝 数量 、 热丝直径和热丝温度对拉丝模内表面温度的影响规律与图 3所示基本一致 ,而平面阵列热丝排列方式下 , 热 丝间距和热丝衬底距离均与拉丝模内表面温度成反比关系 (图 5(c 、(d 。 因为热丝间距和热丝衬底距离的增 加都使得热丝与拉丝模之间的辐射角系数随之减小 , 从而造成了拉丝模温度降低的结果 。62 Mac hine Building A utomation , A pr 2012, 41(2 :24 27 3结论拉丝模内表面温度呈中心轴对称分布 , 在周向方向上 的温度比较均匀 , 在轴向方向上温度呈梯度分布 。 热丝穿 过拉丝模圆柱阵列排布时 , 拉丝模内表面温度在定径区最 高 , 而在进口区处最低 ; 热丝平面阵列排布在拉丝模进口 区上方时 , 拉丝模内表面温度则在进口区最高 , 而在出口 区最低 。 拉丝模内表面温度随着热丝数量 、 热丝温度 、 热 丝直径的增大而升高 。 热丝圆柱阵列排布时 , 热丝阵列直 径对拉丝模内表面温度影响不明显 。 热丝平面阵列排布 时 , 热丝间距与热丝衬底的距离均与拉丝模内表面温度成 反比关系 。参考文献 :1刘秀军 CVD 金刚石拉丝模的性能