引言

鈦基材料因具有耐腐蝕性能好、密度低、比強(qiáng)度高等優(yōu)良的物理性質(zhì)，在真空鍍膜領(lǐng)域中常被用做靶材來制備鈦基復(fù)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(jìn)了鈦材在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用［1－2］。在眾多的鍍膜技術(shù)中，磁控濺射技術(shù)具有基片溫升慢、沉積速率快等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用于各種工業(yè)薄膜制備領(lǐng)域中。高純鈦材作為一種昂貴的金屬靶材，其冶煉過程復(fù)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(fù)荷的限制，其中80%的電能都會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量，導(dǎo)致鈦靶急劇升溫［5－6］。當(dāng)濺射電流較大時(shí)，過多陽離子對(duì)靶進(jìn)行轟擊會(huì)使濺射靶過熱而燒毀，或因熱應(yīng)力過大使表面出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)大量斑點(diǎn)缺陷，使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到正常水平［7］。

對(duì)于造價(jià)較高的靶材，如氚鈦靶而言，靶溫過高還會(huì)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(huì)設(shè)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(duì)鈦靶制造工藝的研究很多，但對(duì)鈦靶磁控濺射鍍膜過程中的冷卻研究卻很少，因?yàn)闇y(cè)量靶面溫度本身就存在難度［11－13］。隨著計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件的開發(fā)和應(yīng)用，為鈦靶的冷卻模擬提供了平臺(tái)。本研究基于FLUENT軟件對(duì)磁控濺射過程中鈦靶的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行模擬，通過改變水流入口速度和水流通道結(jié)構(gòu)，對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)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(jié)構(gòu)，如圖1a所示。冷卻水進(jìn)出口(截面尺寸為20mm×5mm)分布在同一側(cè)，水流進(jìn)入背板后，經(jīng)過三次轉(zhuǎn)折流出背板，設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)的目的是為了增加水流的湍流效果，增強(qiáng)換熱效率。整個(gè)冷卻系統(tǒng)在LUENT的前處理器GAMBIT中進(jìn)行建模并劃分網(wǎng)格［14］，圖1b為簡(jiǎn)化后的鈦靶磁控濺射冷卻系統(tǒng)計(jì)算模型。

1.2邊界條件設(shè)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(jìn)行計(jì)算之前，需要設(shè)置合適的邊界條件來保證計(jì)算結(jié)果的正確性。假設(shè)在冷卻過程中，流體流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，流體設(shè)為湍流模型，即雷若數(shù)介于2530～5050之間，選擇標(biāo)準(zhǔn)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(huì)高達(dá)幾百攝氏度，所以會(huì)有很少一部分液體形成蒸汽，但在模擬過程中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，這部分相變產(chǎn)生的蒸汽忽略不計(jì)［15］。流體入口設(shè)為VELOCITY-INLET，溫度設(shè)為288K，速度為0.5、1.0、1.5m/s，出口設(shè)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(zhuǎn)化為靶材的熱能，故將鈦靶表面設(shè)置為一個(gè)發(fā)熱壁面(HEATWALL)，熱流密度為100kW/m²。

由于背板對(duì)鈦材換熱影響較小，設(shè)置為WALL，所有的壁面都為無滑移邊界條件［16］，具體的設(shè)置如表1所示。

1.3模擬結(jié)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(dāng)水流入口速度為0.5m/s時(shí)，在冷卻通道的空白處對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)移，靶面局部最高溫度可以達(dá)到530K;當(dāng)水流入口速度分別增加到1.0m/s和1.5m/s時(shí)，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(duì)應(yīng)的溫度分布圖放在同一個(gè)溫度刻度表內(nèi)進(jìn)行比較。通過對(duì)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(jié)構(gòu)的限制下，水流發(fā)生強(qiáng)制轉(zhuǎn)折，故湍流效果較明顯，水流的流動(dòng)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(shè)計(jì)與分析

2.1鈦靶冷卻通道結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

針對(duì)上述模擬結(jié)果提出的問題，提出了如下優(yōu)化結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)的冷卻通道為平面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)較蛇形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冷卻水的進(jìn)出口(截面尺寸為20mm×5mm)位于同一軸線上。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目的是增大水流換熱面積，增強(qiáng)換熱效率，同時(shí)通過在鈦靶表面上增加均勻分布的小圓柱體結(jié)構(gòu)(r=5mm，H=2mm)來加強(qiáng)水流的湍流效果。圖3b為簡(jiǎn)化后的計(jì)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(shè)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(jié)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(dāng)水流入口速度為0.5m/s時(shí)，鈦靶表面最高溫度達(dá)到464K，與優(yōu)化前相比降低63K，說明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)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(shí)最好。

結(jié)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(qiáng)，水流的速度分布在進(jìn)出口軸線的兩側(cè)形成漩渦，冷卻水與鈦靶表面之間的換熱增強(qiáng)，因此鈦靶表面的平均溫度降低。但該結(jié)構(gòu)仍然存在弊端，整個(gè)鈦靶表面的溫度分布并不均勻，在水流出口處兩側(cè)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(shì)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(shì)，溫度值波動(dòng)較大造成鈦靶表面溫度分布不均，所以有必要對(duì)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

鑒于以上分析結(jié)果，結(jié)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(jìn)入，水流流動(dòng)的阻力就會(huì)大大減小，所以在上述平面冷卻通道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將進(jìn)出口改為沿內(nèi)壁切向，并研究不同進(jìn)出口夾角對(duì)冷卻效果的影響。

2.2水流進(jìn)出口方向?qū)︹伆袚Q熱效率的影響

水流進(jìn)出口方向沿著冷卻內(nèi)墻壁切向的結(jié)構(gòu)如圖6所示，分別是夾角α為135°、150°、180°時(shí)的三種背板結(jié)構(gòu)。在冷卻模擬的過程中，邊界條件的設(shè)置與上文相同，將三種不同的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行冷卻模擬，其中水流進(jìn)口速度均設(shè)置為1.5m/s，經(jīng)過100次迭代后計(jì)算結(jié)果已經(jīng)收斂。模擬結(jié)果如圖7所示，其中圖7a為進(jìn)出口水流速度矢量夾角α為135°、150°、180°時(shí)冷卻系統(tǒng)的水流速度分布云圖，圖7b為冷卻水流動(dòng)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)。水流速度在進(jìn)出口附近比較大，這是由于在進(jìn)出口與內(nèi)腔的連接處水流截面面積發(fā)生突增，導(dǎo)致速度突降，但水流速度的降低勢(shì)必會(huì)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(qiáng)水流湍流效果，增加冷卻水與鈦靶表面的碰撞強(qiáng)度，在流動(dòng)過程中將熱量進(jìn)行有效轉(zhuǎn)移，提高冷卻系統(tǒng)的換熱效率。由圖7a還可以看出，隨著進(jìn)出口距離的增大，冷卻內(nèi)腔速度分布更加均勻，并在進(jìn)出口呈相對(duì)平行布置時(shí)效果達(dá)到最佳，這對(duì)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(jìn)入冷卻系統(tǒng)后，入口附近的流線分布較密集，而且在進(jìn)出口之間會(huì)形成完整的漩渦，尤其在α角比較小時(shí)更為明顯。在冷卻系統(tǒng)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)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(jìn)出口越遠(yuǎn)，圓弧軌跡半徑越大，同時(shí)流線分布也越稀疏。這是因?yàn)榫嚯x進(jìn)出口越遠(yuǎn)的區(qū)域水流速度越小，能量相對(duì)較弱，因此會(huì)出現(xiàn)流線稀疏的現(xiàn)象，甚至在出口附近會(huì)形成空白。但隨著α角的增大，流線的整體分布情況會(huì)有所改善，在進(jìn)出口呈相對(duì)平行布置時(shí)的流線分布較為理想。

為了更加直觀地呈現(xiàn)不同進(jìn)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(dǎo)出并通過origin進(jìn)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(dāng)夾角α為135°時(shí)，鈦靶表面的高溫區(qū)域集中在距離進(jìn)出口較遠(yuǎn)的區(qū)域，最高溫度值達(dá)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(jìn)出口呈平行布置時(shí)最小，且鈦靶表面最高溫度為440K。數(shù)值分析結(jié)果與上述流場(chǎng)分析結(jié)果一致，證明了當(dāng)冷卻水的入口速度保持不變時(shí)，水流進(jìn)出口速度矢量夾角對(duì)鈦靶表面冷卻效果具有較大的影響，當(dāng)夾角增加至180°，即進(jìn)出口呈平行布置時(shí)，鈦靶表面冷卻效果最好。

圖9為當(dāng)水流流速為1.5m/s且進(jìn)出口呈相對(duì)平行(α=180°)時(shí)水流分別沿著圖3和圖6c所示的進(jìn)出口方向流入冷卻系統(tǒng)時(shí)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(jìn)一步的說明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)是合理的。

3、結(jié)論

基于FLUENT軟件對(duì)鈦靶的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真并做出合理優(yōu)化，得到的主要結(jié)論如下:

(1)平面冷卻通道結(jié)構(gòu)的換熱效果優(yōu)于蛇形冷卻通道結(jié)構(gòu)，同時(shí)水流入口速度對(duì)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(yīng)兼顧換熱面積最大化以及冷卻水的湍流效果，針對(duì)平面冷卻通道而言，靶面均布凸起小圓柱體結(jié)構(gòu)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(jìn)出更符合冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，流體軌跡在腔體內(nèi)呈旋轉(zhuǎn)狀，流體湍流效果較好，系統(tǒng)的冷卻效率明顯提高。且當(dāng)水流進(jìn)出口呈相對(duì)平行時(shí)靶面最高溫度最小，整個(gè)靶面溫度分布也更均勻。

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