TX1800磁控濺射鍍膜機(jī)冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)

關(guān)亞蘭，崔秀清，刁訓(xùn)剛，王 濤

(1.北京航空航天大學(xué)物理科學(xué)與核能工程學(xué)院，北京100083;2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院五一九廠，山西長治046012)

1 引言

目前在工業(yè)鍍膜生產(chǎn)中，磁控濺射技術(shù)已成為主要的技術(shù)之一。相關(guān)的磁 控濺射鍍膜設(shè)備也發(fā)展迅速。磁控濺射靶作為鍍膜系統(tǒng)核心部件，直接關(guān)系鍍膜效果的好壞，對(duì)于整套鍍膜設(shè)備的開發(fā)起到了至關(guān)重要的作用。

使用中發(fā)現(xiàn)，隨著濺射功率的提高，靶材溫度會(huì)急劇提高，溫度高達(dá)100℃甚至更高，熱量的積累必然導(dǎo)致靶材破壞、失效，一定程度上對(duì)濺射效率和設(shè)備的使用造成了影響，本型號(hào)鍍膜機(jī)中靶材的冷卻方式存在較多的不足，冷卻效果差，亟需改進(jìn)。

2 TX1 800鍍膜設(shè)備磁控濺射靶結(jié)構(gòu)分析

TX1 800鍍膜機(jī)是早期應(yīng)用較多的鍍膜設(shè)備，具有典型的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中，此鍍膜機(jī)中靶結(jié)構(gòu)主要由陽極罩頭、陽極罩、聚四氟乙烯壓板、進(jìn)出水通道法蘭、磁軛、磁環(huán)、中磁柱、導(dǎo)磁環(huán)、靶材基座、靶材、壓靶環(huán)及陽極框等組成(圖1所示)。

靶結(jié)構(gòu)中，冷卻水通過進(jìn)出水法蘭的對(duì)稱凹陷結(jié)構(gòu)(如圖2所示)實(shí)現(xiàn)水流的流進(jìn)與流出，冷卻方式采用直接水冷，通過冷卻靶材基座底面實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)基座的冷卻進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)靶材的冷卻。

圖1 TX1 800鍍膜設(shè)備磁控濺射靶結(jié)構(gòu)

圖2 靶結(jié)構(gòu)冷卻系統(tǒng)

圖2 所示，冷卻水按箭頭流動(dòng)，流經(jīng)了磁軛、磁環(huán)、中磁柱等關(guān)鍵部件，雖然這些零部件采用了浸鍍環(huán)氧、多層防銹鍍膜等工藝，但冷卻水長時(shí)間對(duì)這些零部件的腐蝕仍是不容忽視的問題。另一方面長時(shí)間積累的水垢對(duì)各處密封圈的侵蝕損壞將直接導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生致命的破壞，這是設(shè)計(jì)絕對(duì)不允許的。

此外，結(jié)構(gòu)中靶材與基座水冷背板的固定是用陽極框和壓靶環(huán)將靶材固定到水冷背板上。這種方法的最大缺點(diǎn)是靶材與水冷背板接觸面能夠貼合的面積很小，經(jīng)過加工的靶材和水冷背板壓緊后的實(shí)際接觸面只有20%～50%左右。這些因素直接影響了靶材的冷卻效果。

3 改進(jìn)后的磁控濺射靶結(jié)構(gòu)

3.1 改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)

首先對(duì)原結(jié)構(gòu)的靶材基座進(jìn)行了拆分，拆分后分為基座水冷背板和基座墊環(huán)，改進(jìn)后的基座水冷背板(圖3)內(nèi)部采用空腔結(jié)構(gòu)，并增加層板結(jié)構(gòu)(圖4)，外表面通過凹槽結(jié)構(gòu)增加發(fā)汗材料鍍層，最大限度地保證良好的冷卻效果。改進(jìn)后的冷卻系統(tǒng)水流路徑避開對(duì)磁塊、磁軛等關(guān)鍵零部件的沖蝕，借助管路引導(dǎo)冷卻水的流向。工作時(shí)安裝靶材的一面朝下，依靠重力作用，保證流入空腔的水流緊貼水冷背板工作面(即受熱最嚴(yán)重的一面)流動(dòng)(圖5所示)。間斷式層板結(jié)構(gòu)加大了水冷面積，一定程度上也增強(qiáng)了冷卻效果，另一方面此方式的改進(jìn)省去了原先結(jié)構(gòu)中的大部分密封墊圈裝置，提高了設(shè)備的安全系數(shù)。

3.2 層板發(fā)汗冷卻及相關(guān)工藝可行性分析

發(fā)汗冷卻技術(shù)是一種仿生技術(shù)，它是利用生物為了生存，對(duì)所處環(huán)境溫度進(jìn)行自身調(diào)節(jié)的一種本能。發(fā)汗冷卻技術(shù)最先應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，尤其在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻方面受到越來越廣泛的重視。改進(jìn)中采用發(fā)汗冷卻中自發(fā)層板式發(fā)汗冷卻。自發(fā)發(fā)汗冷卻是通過在基材內(nèi)加入低熔點(diǎn)金屬粉末顆粒，在高溫下氣化蒸發(fā)帶走基材熱量達(dá)到材料降溫的目的?！皩影迨健敝饕菍?duì)冷卻結(jié)構(gòu)的描述，通過層板之間的特殊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流量、流速等的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)想的冷卻效果。

圖3 水冷背板的凹槽結(jié)構(gòu)和內(nèi)部層板結(jié)構(gòu)

圖3.1 改進(jìn)后的基座由基座

層板結(jié)構(gòu)制造工藝復(fù)雜，隨著激光光刻、刻蝕技術(shù)及擴(kuò)散焊等技術(shù)的發(fā)展，此為技術(shù)增加了新的活力。

3.3 靶材與水冷背板的連接方式

靶材與水冷背板的連接是制靶技術(shù)中的重要一環(huán)，本次改進(jìn)采用“鑲嵌復(fù)合法”，將水冷背板與靶材接觸的一面銑成多道槽，然后采用38℃易熔布蘭特合金粉熔融后均勻涂鍍?cè)趲О疾鄣拿嫔?，形成發(fā)汗金屬材料，再通過對(duì)靶材表面拋光處理后，將靶材緊貼于帶凹槽的一面，在常溫下用軋機(jī)進(jìn)行固相軋制從而制成鑲嵌式復(fù)合靶。這種復(fù)合制靶工藝靶材不受限制，靶材與背板的接觸面積較大，從而使靶材牢固的固定在背板上，當(dāng)靶材受到離子轟擊時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生變形與脫落，結(jié)構(gòu)簡單可靠，便于加工和更換靶材。

圖4 背板內(nèi)部層板結(jié)構(gòu)局部細(xì)節(jié)圖

3.4 效果說明

改進(jìn)后整體結(jié)構(gòu)布局較為合理，安裝裝配等工藝具有可操作性，水流可以順利按照制定路徑流進(jìn)流出，各管路連接處采用專用接頭，保證整體系統(tǒng)的密封性。冷卻措施上，主要依靠冷卻水和38℃低溫發(fā)汗材料的氣化吸熱作用，不斷循環(huán)的冷卻水可以保證背板溫度始終接近冷卻水溫度，即使出現(xiàn)了水流循環(huán)不暢導(dǎo)致溫度升高的情況，低溫發(fā)汗材料氣化也會(huì)保證背板溫度維持在氣化點(diǎn)溫度38℃，對(duì)于靶材來說，這是一個(gè)合理的溫度。

圖5 改進(jìn)后水流路徑

4 結(jié)束語

國內(nèi)對(duì)磁控濺射靶的研究大部分定位在優(yōu)化磁力線分布方面，對(duì)靶的冷卻研究較少，目前仍停留在傳統(tǒng)的直接水冷和間接水冷兩種方式上，而且冷卻結(jié)構(gòu)笨重，冷卻效果差。

引入航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻領(lǐng)域的最新概念——層板發(fā)汗冷卻，實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科思維的巧妙結(jié)合，理論上也保證了設(shè)備整體性能的提高。后續(xù)將進(jìn)一步驗(yàn)證這種改進(jìn)思路的合理性和優(yōu)越性。將對(duì)今后類似方面的研究起到積極的參政作用。

［1］張峰，劉偉強(qiáng).層板發(fā)汗冷卻在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用與發(fā)展綜述［J］.火箭推進(jìn)，2007，6.

［2］劉翔宇等，磁控濺射鍍膜設(shè)備中靶的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.真空技術(shù)，2003，4.

［3］孫東明.圓柱形平面式磁控濺射靶的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原理［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，4.

［4］儲(chǔ)志強(qiáng).國內(nèi)外磁控濺射靶材的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì).湖南省冶金材料研究所，2011年8月.