轴对称磁场对电弧离子镀弧斑运动的影响

研究了轴对称磁场对电弧离子镀弧斑运动的影响规律,利用有限元分析软件FEMM对轴对称磁场的分布进行了模拟,采用SHT-V型磁场测试仪测试了磁场强度,分析了靶面不同磁场分量的分布规律.从电弧斑点放电的物理机制出发,探讨了不同磁场分量和轴对称磁场对电弧离子镀弧斑运动的影响机制.结果表明,轴对称磁场通过影响空间正电荷密度n~+的分布而作用于弧斑运动;随着轴对称磁场横向分量的增加,电弧斑点由随机运动逐渐转变为向靶面边缘扩展的旋转运动,弧斑运动速度加快,电弧电压升高,电流下降;当横向分量增加到临界强度(B_T≈30 Gs)时,弧斑在靶材边缘稳定的快速旋转运动并在靶沿处上下抖动,弧斑分裂,靶面中心处每隔0.5 s左右出现多个细的圆斑线,然后很快向外扩展消失;靶材边缘出现明显的刻蚀轨道.     

电弧离子镀沉积磁性薄膜的研究

研究了电弧离子镀磁性靶材使用过程中发生"跑弧"并导致靶材无法稳定刻蚀的问题.利用有限元方法(FEM)对外加磁场下非磁性靶材系统和磁性靶材系统中的磁场分布进行了模拟.研究了外磁场对电弧斑点运动的影响机理,并结合电弧斑点放电的物理机制,探讨了磁性靶材与低饱和蒸气压金属靶壳、绝缘陶瓷靶壳或软磁性金属靶壳组成复合结构靶材解决磁性靶材使用问题的可行性.结果表明,这3种复合结构靶材设计方案均能有效解决电弧离子镀磁性靶材"跑弧"问题.通过实验得到,在低饱和蒸气压金属或绝缘陶瓷靶壳设计方案里,靶材频繁引弧到弧斑能受控运动的转变温度为(136.6±23.0)℃.     

电弧源自身大颗粒抑制技术研究进展

电弧离子镀技术已经成为镀膜技术中不可或缺的技术之一,并在金属、装饰、硬质耐磨等领域被广泛研究和应用。膜层技术的研究应用促使对电弧源技术的研究主要集中在长寿命、高可靠性和大颗粒抑制这几方面,且后者的开展必须建立在前者的基础上。大颗粒抑制的关键在于减少弧斑在靶面的驻留时间,可通过巧妙的永磁或电磁设计来实现具有较强横向磁场分量的靶面,但当磁场强度增大时,必须综合考虑纵向磁场和横向磁场的比例关系,考虑靶材本身的特点。另一种抑制大颗粒的方法是脉冲电弧技术,脉冲电弧源引弧频繁,在结构设计上和恒流电弧源有很大的区别,瞬时电流能达到数千、甚至一万安培以上,能够获得很高的沉积速率,同时阳极的设计使等离子体形成定向喷射,过滤掉大部分大颗粒。     

磁场模拟在磁控溅射/阴极弧离子镀中的应用

针对磁控溅射和阴极弧离子镀沉积技术存在的局限性,采用有限元分析方法(Finite element method,FEM)进行磁场模拟,优化设计外加电磁线圈的结构和磁场分布位形,并应用于磁控溅射沉积透明导电氧化物和阴极弧离子镀沉积硬质薄膜中。分析了外加电磁线圈磁场对磁控溅射等离子体辉光变化、磁控靶磁场平衡度/非平衡度、以及线圈位置对等离子体特性和靶材利用率的影响。设计和制作了轴对称磁场和旋转磁场,研究了它们对阴极弧离子镀弧斑运动形貌和薄膜表面大颗粒等特性的影响。通过控制弧斑运动状态,可以得到不同程度的颗粒分布,实现颗粒的可控沉积,减少薄膜表面大颗粒的污染。     

靶电流对TiAIN/TiN复合膜组织及硬度的影响

采用多弧离子镀技术在 40Cr 基体上制备 TiAlN/TiN 复合膜层,通过金相显微镜、扫描电镜和显微硬度仪研究靶电流对膜层表面形貌、沉积率及硬度的影响.结果表明:靶材电流对膜层组织和硬度有显著影响,电流越高膜层表面越不平整,显微硬度随靶材电流的升高先上升后降低.靶电流越高,膜层中 Ti、Al 原子的含量就越高.     

TiN涂层的正交设计工艺分析

对多弧离子镀ＴｉＮ涂层的工艺（包括氮分区、弧靶啼场、弧源电流）进行了正交设计分析．表明，影响ＴｉＮ涂层表面硬度的主要因素为氮分压和弧靶磁场大小，弧流大小为次要因素．氮分压对ＴｉＮ涂层的相结构影响较大，而弧靶磁场影响电弧运动的稳定性以及涂展表面粗大颗粒的大小．另外，在其它工艺条件相同的情况下，随着氮分区、弧靶磁场的增大，ＴｉＮ涂层的耐磨性均有提高．     

微弧氧化放电弧斑燃烧特性研究

微弧氧化过程中,弧斑燃烧特性是直接影响微弧氧化膜层结构、膜层性能的重要因素.研究了常规微弧氧化和低能耗微弧氧化放电过程中弧斑燃烧的特性.用光谱仪和高速摄像机分别研究了微弧氧化过程中的等离子放电特性及弧斑燃烧时间特性.结果表明,常规微弧氧化过程中多种离子参与等离子放电,而在低能耗微弧氧化过程中只检测到Na+参与等离子体放电.低能耗微弧氧化过程中,相邻脉冲同一位置连续放电情况较少.常规微弧氧化过程中,在上一脉冲中放电较为剧烈的位置下一脉冲来临时仍可以优先放电,在同一位置脉冲来临时发生放电的连续时间可以达到数百微秒.     

国内外磁控溅射靶材的研究进展

磁控溅射以溅射温度低、沉积速率高的特点而被广泛应用于各种薄膜制造中,如单层或复合薄膜、磁性或超导薄膜以及有一定用途的功能性薄膜等,在科学领域以及工业生产中发挥着不可替代的作用。在介绍磁控溅射原理的基础上,阐述了靶材刻蚀机理,针对传统磁控溅射系统中靶材利用率低、刻蚀形貌不均匀等现状,从改善靶面磁场分布和模拟靶材刻蚀形貌两方面对国内外最新的研究进展进行总结与分析。研究表明,通过改变磁体的空间布置或增加导磁片能有效改善靶面磁场分布,采用适当的运动部件实现磁场和靶材的相对运动能有效扩展靶材的溅射面积,提高靶材利用率。在靶材刻蚀模拟中,通过改变溅射过程中的工艺条件(磁场强度、工作电压等)来研究靶面等离子特性,结果显示靶材刻蚀形貌会随着磁场强度的增加而变窄,靶材刻蚀速率会随工作电压的增大而增大等,这些研究成果对磁控溅射工艺参数的优化具有指导意义。最后,对靶材冷却系统的设计、靶材表面处理等对溅射过程的影响进行了简要展望。     

铁基堆焊层的组织及性能的磁场控制

在铁基合金碳弧堆焊过程中加入直流横向磁场,磁场通过与电弧和熔池之间的电磁作用,细化堆焊层金属的组织,改善硬质相的形态及分布。焊后通过对试样进行硬度、磨损试验以及显微组织分析,研究磁场强度对堆焊层金属的硬度和耐磨性的影响规律。结果表明,施加磁场比未施加磁场的堆焊层硬度高,耐磨性好;磁场电流为4A时,堆焊层的性能最佳。     

纵向交变磁场及脉冲电流下TIG焊接电弧模拟

以建立的二维轴对称TIG焊电弧模型为基础,研究外加纵向交变磁场及脉冲电流对电弧所产生的影响。研究表明,当外加磁场强度为0.03T,交变频率为1000 Hz的纵向磁场时,电弧随磁场方向的改变而发生周期性变化。当磁场方向为正时,电弧呈现收缩下压趋势,存在中空现象;当磁场方向为负时,电弧呈现拉长趋势,阴极斑点有所上移。当同时施加一脉冲频率为1000 Hz且与交变磁场相匹配的脉冲电流时,电弧根据电流大小可分为两个阶段,即工作阶段与维弧阶段。当电弧处于工作阶段时,磁场方向为正,电弧收缩下压,更有利于母材熔化;当电弧处于维弧阶段时,磁场方向为负,电弧能量大大下降,仅能维持电弧存在。     

电极材料组织对真空电弧阴极斑点运动行为的影响

真空电弧在非晶、纳米晶及常规粗品电极合金表面微观分布的观测表明，电极材料显微组织对电弧阴极斑点几何性质和运动行为有明显影响．阴极斑点优先在材料承载电压能力低的弱相表面形成，弱相尺寸、形貌和分布决定了阴极斑点的几何特征．显微组织大幅度细化时，电弧在电极表面分散和快速运动，非晶合金表面仍保持完全非晶结构．分析表明，当材料特征显微组织尺寸小于阴极斑点尺寸时，阴极斑点运动模式从跳跃式运动转变为连续式运动．电极材料组成相的浓度及其尺寸是决定阴极斑点微观迁移方式的重要因素．     

磁控溅射Ti靶镀料热发射脱靶的机理研究

高功率脉冲磁控溅射技术虽能实现提高镀料离化率以增强镀层力学性能的设计初衷,但其极低的沉积速率降低了工作效率,阻碍了该技术产业化的成功推广。因此,期望在达到镀料高离化率的同时,兼顾高速沉积是本研究的主要目的,为此本文提出一种创新性的研究思路,利用自主研发的双级脉冲电场,通过分别调控两个脉冲阶段的电场参量引发阴极靶面气体放电由辉光向弧光转变,借助弧光放电产生的高密度等离子体,增强靶面氩离子的碰撞动能和金属靶材产生的焦耳热,诱发镀料以高离化率、高产额的热发射方式脱离靶材。实验结果表明：在持续提高铜靶和钛靶的靶电流密度时,阴极靶材与阳极腔体间的伏安特性会由正比例的递增关系转变为反比例的递减关系,这说明气体放电会由辉光放电向弧光放电转变,并以此诱发镀料由碰撞溅射脱靶转变为溅射+热发射脱靶。实验以钛靶作为研究对象,采用双级脉冲电场在提高钛靶电流密度时,靶面形貌由具有阶梯状直线条纹的多边形凹坑结构转变为具有直线条纹的多边形凹坑和水流波纹状的圆形凹坑的混合结构,说明此时靶面镀料的脱靶方式除典型的碰撞溅射外,已逐渐向碰撞溅射加热发射双重脱靶方式转变,镀层的沉积速率也由6 nm/min大幅增大至26 nm/min。     

片状偏钨极电弧特性的数值模拟

基于流体力学和麦克斯韦方程组,建立片状偏钨极电弧三维数学模型,计算得到电弧温度场、流场、电场及电流密度分布.结果表明,片状偏钨极厚度方向电弧温度场、流场、电场及电流密度呈对称分布;相同焊接工艺参数下,片状偏钨极电弧最高温度、最大流速及电流密度小于圆柱钨极电弧;电流密度受片状偏钨极前端斜边引导作用和电弧惯性后拖效应的共同影响,其分布范围沿钨极宽度方向扩展,且电弧等温线在该方向上扩张;片状偏钨极前端斜边倾角的改变,会引起电流密度在钨极前端局部集中,并导致阴极下方高温区和阴极射流沿斜边偏移.     

横向交流磁场频率对堆焊金属组织及性能的影响

在镍基堆焊合金等离子弧堆焊过程中引入横向交流脉冲磁场,研究了横向交流脉冲磁场频率对等离子弧堆焊层金属组织及性能的影响,并利用光学金相、x射线衍射、显微硬度和湿砂橡胶轮磨损试验等方法,系统分析了不同脉冲磁场频率作用下堆焊试样的硬度、耐磨性及组织.结果表明,外加横向交流脉冲磁场可以有效改善堆焊层金属的结晶形态,细化晶粒,在适当的脉冲磁场频率作用下,可以获得最佳的电磁搅拌效果,增加堆焊层金属中硬质相的数量,控制硬质相的生长方向,提高等离子弧堆焊层的硬度和耐磨性.

Abstract：

The nickel-base alloy was deposited on the low carbon steel by plasma arc surfacing with transverse magnetic field. The influence of transverse alternative pulsed magnetic field frequency on microstrueture and properties of plasma arc surfacing layer was researched. The hardness, wear resistance and micmstructure of surfacing layer at different pulsed magnetic field currents were systematically analyzed by optical electronic microscope, wear test and microscopic hardness test. The results indicated that the transverse alternative pulsed magnetic field can effectively improve the crystal shape in plasma arc surfacing layer and refine crystal grain. With the proper pulsed magnetic field frequency, the optimum effete of electromagnetic stirring can be obtained, the amount of hardening phase in overlay deposit is increased, the growth direction of hardening phase can be controlled and the hardness and wear resistance of the surfacing overlay are improved.     

外加纵向磁场作用下的TIG焊接电弧

以单粒子理论假设为基础,详细阐述了外加纵向磁场在等离子体中的不均匀分布形态,以及这种不均匀磁场对TIG焊接电弧形状的影响,分析了电弧区的受力情况,建立了等离子体中带电粒子在这种非均匀磁场中的运动方程.由分析可知带电粒子在磁场作用下的运动轨迹是一条汇聚的螺旋线,且等离子弧外围的带电粒子的圆周运动的速度远大于弧柱中心的粒子运动速度.结果表明,在外加纵向磁场的作用下,TIG焊电弧发生了明显的收缩,激磁电流一定,激磁频率越高,电弧收缩越明显.     

基于热效应的织构化分形表面的弹流动压性能分析

目的研究织构化分形表面的热弹流润滑性能随分形维数及织构参数的变化规律。方法建立织构化分形表面的热弹流动压模型并无量纲化,然后运用多重网格法编程求解。通过对多种工况下的摩擦面间的最大压力、最小膜厚和摩擦因数进行比较分析,揭示织构参数和分形参数对织构化分形表面动压润滑性能的影响。结果随着织构深度的增加,最小膜厚减小,最大压力和固体界面温度增大。摩擦因数-织构深度曲线有最小值,但不同分形维数下的摩擦因数-织构深度曲线的最小值发生处的织构深度值相同。织构深度相同时,最大压力和固体界面温度随维数的增大而减小,平均摩擦因数则增大。最小膜厚-织构密度曲线和摩擦因数-织构密度曲线都存在最小值,最大压力-织构密度和固体界面温度-织构密度曲线有最大值。织构密度相同时,最大压力和固体界面温度随分形维数的增大而减小,摩擦因数则随之增大。结论分形维数越大,摩擦副表面的摩擦因数越大,但摩擦因数-织构深度和摩擦因数-织构密度曲线都有最小值。     

涂层风沙冲蚀损伤表面分形维数预测模型

目的 建立涂层风沙冲蚀损伤表面分形维数预测模型,重构冲蚀损伤表面形貌,为涂层风沙冲蚀损伤表面形貌研究提供基础。方法 进行了聚氨酯防腐面漆涂层风沙冲蚀损伤试验,建立了多粒径粒子冲击模型,利用赫兹接触理论求解冲击损伤面积及其分布概率,分析表面损伤的演化规律得到损伤面积增长迭代关系式,结合分形分布理论求解损伤表面分形维数,分析不同参数对理论模型的影响。利用理论模型重构损伤表面形貌、预测表面分形维数并与试验结果进行对比分析。结果 冲蚀试验中,随冲蚀时间、角度的增加,随机均匀分布的损伤区域逐渐叠加联通,分形维数也随之增大;表面分形维数存在最大值,斜角度下单粒子冲击损伤区域为彗星形。理论模型中,主导粒子粒径越大,分形维数初期增长速度越慢;冲击损伤面积越大,分形维数初期增长速度越快;损伤尺度系数越大,分形维数最大值越大;冲蚀前损伤面积越大,初始分形维数越大。对比理论模型与试验结果,重构损伤表面形貌损伤演化规律与试验结果相似,表面形貌余弦相似性及分形维数相关性系数均大于0.9。结论 通过分析固体粒子冲蚀现象特点和试验结果,发现风沙冲蚀是非线性的反馈的动力学系统,涂层冲蚀表面形貌具有迭代的损伤演化过程。...