基于刀具底部散熱方式的HFCVD法沉積金剛石涂層刀具溫度場的仿真優化*

潛藝箏， 張 韜,2， 汪 舒， 陳大奎， 黃國棟

(1.無錫職業技術學院 機械技術學院, 江蘇 無錫 214122) (2.上海海洋大學 工程學院, 上海 201316)

化學氣相沉積法(CVD)制備的金剛石薄膜具有許多極其優異的力學性能。同時，該方法制備的薄膜可以直接沉積在不同形狀的襯底上[1-2]。因此，CVD金剛石薄膜通常被認為是一種理想的工業涂層，能夠延長刀具、拉拔模具等耐磨器件的使用壽命，優化使用效果。硬質合金(WC-Co)是一種傳統的耐磨材料，也是CVD金剛石薄膜沉積時常用的襯底材料[3-5]。金剛石薄膜附著在WC-Co刀具之上，可應用于鋁、鋁硅合金、石墨、氧化鋯等材料的加工，具有廣闊的市場前景[6-7]。

熱絲化學氣相沉積法(HFCVD)的優點是設備簡單，工藝條件較易控制，特別適用于CVD金剛石涂層刀具的批量化生產[8]。在批量制備刀具涂層的過程中，CVD金剛石涂層厚度及粒度的均勻性直接影響刀具的使用壽命及零件的加工質量[9]。目前，在大批量制備涂層刀具時，如何最大程度地提升刀具不同方向上涂層的均勻性，是實現CVD金剛石涂層刀具高效優質批量制備的難點之一。

CVD金剛石刀具涂層的均勻性主要受氣相沉積時刀具襯底及周圍氣體溫度的影響[10]。目前，國內外很多研究人員通過采用計算機模擬的方法，成功地金剛石薄膜沉積時的襯底溫度分布情況[10-12]。但現有的研究成果中，僅考慮到熱輻射對襯底溫度的影響而忽視了熱傳導或熱對流在試驗中的影響，這使得模擬結果與實際溫度有一定偏差，且模擬溫度要低于實際溫度，偏差在50～100 ℃范圍內。WANG等[13-16]在前期的工作中提出了利用有限容積法，在耦合熱傳導、熱對流或熱輻射等3種傳熱方式下，對HFCVD系統內的溫度場進行仿真，該方法的仿真結果與實際沉積系統的溫度吻合性更好。

在批量沉積金剛石涂層刀具的過程中，影響刀具溫度均勻性的因素還包括：熱絲尺寸、排布方式、刀具底部散熱方式等。其中，對于熱絲尺寸及排布方式，在前期的研究工作中已取得了不少成績[17-18]。本試驗將利用FLUENT流體分析軟件，對用GAMBIT軟件建立的HFCVD批量沉積刀具反應系統的三維模型進行模擬計算，并采用耦合熱傳導、熱對流、熱輻射的有限容積法，對刀體溫度的分布狀況進行模擬預測，并對影響刀體溫度均勻性的刀具底部支撐臺材料散熱方式進行優化處理，以期在復雜形狀的刀具上沉積出高效、均質的金剛石涂層。

1 合成金剛石涂層復雜形狀刀具仿真優化

刀體溫度場模擬計算過程大致可分為7步:(1)提出假設條件并建立簡化沉積系統模型;(2)建立網格模型;(3)設置流固體邊界條件;(4)壓力、溫度等初始條件設定;(5)鉭絲、氫氣等材料屬性設定;(6)確定控制方程;(7)模型計算。

1.1 仿真建模及網格劃分

為了避免仿真過于復雜，對仿真做出如下簡化以及相應假設[15-16]: 排除壓力值對仿真結果的影響，將金剛石沉積的壓力設為常規壓力，反應腔內壓力設置為恒定值; 排除反應腔內其他氣體的作用，腔體內僅存在H2，而反應產生的CH4含量很低(約為1%～2%)，忽略不計; 排除反應室化學反應放熱; 仿真中將實際刀具簡化為圓柱棒以減小劃分網格的難度以及減少計算量。

根據HFCVD的實體裝置，借助GAMBIT軟件來建立計算模型并進行相應的網格劃分。簡化的三維計算模型如圖1所示：水冷工作臺長為200 mm，寬為130 mm，壁厚為5 mm；25把直徑為φ10 mm的銑刀置于尺寸為200 mm×130 mm×30 mm的支撐臺上(該支撐臺的材料為仿真的優化對象)；長度為150 mm，直徑為φ0.6 mm的6根鉭絲等間距固定于刀具襯底上方；甲烷和氫氣的混合氣體從容器左下方的進氣口進入反應腔內，從容器右下方的出氣口流出。在此基礎上，利用GAMBIT軟件對此3D模型進行網格劃分。需要注意的是，流體和固體部分應單獨進行網格劃分，但與流固體相接觸的曲面應設定為普通接觸面。

圖1 HFCVD系統的仿真模型

為了提高計算精度，刀具襯底與熱絲周圍的計算區域需要進行網格細化(圖2)。根據以上條件，得到的計算模型總的網格數為2 813 600個，面網格數為5 808 856個，節點587 039個。

圖2 網格細化模型及刀具編號圖

1.2 控制方程的確定

根據 HFCVD法沉積金剛石的原理，我們將通過熱輻射、熱傳導、熱對流等3種傳熱方式，對刀具襯底溫度分布進行研究。根據這3種傳熱方式，明確最終參加計算的方程應為：連續方程、動量方程、氣體狀態方程、輻射方程以及能量方程[15]。

1.3 邊界條件的確立與計算

邊界條件是控制方程有確定解的前提，對于任何問題，都需要給定邊界條件。在所要進行仿真計算的三維網格模型中，我們將對流體、固體2大部分分別定義邊界條件：

(1)流體部分(FLUID)：設定腔室內流體材料為氫氣。為保證銑刀各處金剛石薄膜生長速率和質量的均勻性，在通常情況下，氣體的流速會設定較低的值，一般為800 cm3/min，進出氣口直徑為φ10 mm。這樣的情況下，馬赫數Ma(流場中某點的流速v與該點的當地聲速c之比)可以更好地表達流動特點。在流體密度不變的不可壓縮流中，當聲速c=∞時,Ma=0。從Ma≈0.3時起，就不能忽略流體的壓縮性影響。在流動過程中，Ma愈大，氣體的可壓縮性就愈大。因此，從空氣動力學的觀點來看，Ma能更好地表示氣體流動的特點。Ma計算見式(1):

(1)

其中：v的值為0.17 m/s，c的值為1 295.00 m/s。此時，Ma<<0.3，所以氫氣可作為不可壓縮流動氣體。

用雷諾數Re來判斷黏性流體的流動狀態。當Re<2 300時，腔內流體近于層流，較穩定；當Re≥2 300時，流體近于紊流。Re的計算見式(2)：

(2)

其中：ρ為流體密度，其值為0.089 9 kg/m3;v為流體的速度，其值為0.17 m/s;d為進出氣口的當量直徑，其值為0.01 m；μ為黏性系數，其值為0.01 mPa·s。

此時，Re<<2 300，對試驗結果幾乎不產生影響。

通過式(2)可以確定流動模型的流動狀態是層流，也就是說流體會沿著管軸方向做直線運動。

(2) 固體部分(SOLID)：在該模型中將熱絲、銑刀、支撐臺、水冷工作臺等固體部分設定為參與輻射計算的部分。實際反應時，熱絲的實際溫度一般在2 000 ～2 400 ℃，這里設定為2 200 ℃。將鐘罩和工作臺(水冷工作臺和支撐臺)定義為wall，由于反應腔的鐘罩和水冷工作臺中均含有水冷散熱系統，設定wall的傳熱系數為6 W/(m2·K) 來代替水冷效果。環境條件主要包括反應腔的初始溫度及壓力。在計算時，設定反應時鐘罩內的初始溫度為25 ℃；HFCVD系統沉積金剛石過程中，壓力接近恒定值，定義在3 kPa 較為合理。仿真中相關材料屬性的定義可參見表 1。為了分析支撐臺對刀具襯底溫度的影響，選擇了銅、石墨、陶瓷3種不同的支撐臺材料。按上述步驟完成參數設定，經過10～24 h的運算，可獲得HFCVD系統各物理場的計算結果。

表1 相關材料屬性

2 影響溫度場均勻性參數的分析優化

在FLUENT模擬試驗過程中，腔室內的銑刀是以進氣口和出氣口所在位置的連線成鏡像對稱分布的，而對稱的銑刀刀身溫度差較小，約為±1 ℃，可忽略。因此，只需分析1～15號銑刀即可，刀具編號如圖2所示。此外，在對各銑刀溫度進行整理的時候，選取圓柱形銑刀中心軸為基準，以10 mm間隔為1個溫測點，提取軸上各個位置的溫度，以此來體現整個銑刀的表面溫度變化情況，便于后期對計算結果進行分析。

通過FLUENT對HFCVD三維模型進行計算，得出銑刀在不同位置上的溫度分布，如圖 3所示。

(a) 銅 Cu(b) 石墨 Graphite(c) 陶瓷 Ceramics

圖3中：從單個銑刀的角度來看，刀身從上到下溫度逐漸降低；從整體腔內的所有銑刀分布來看， 15號(中間位置)銑刀溫差最小。且當陶瓷作為支撐臺材料時，整體刀身溫差浮動最小。

2.1 不同支撐臺材料對Z 軸溫度分布的影響

(1)銅制支撐臺

1～15號銑刀沿Z軸溫度的最大值Tmax、最小值Tmin及差值ΔT如表 2所示：

表2 各刀具的仿真溫度Tmax，Tmin及ΔT(銅制支撐臺)

從表 2可以看出：位于中間的13號銑刀的表面溫度Tmax最高，為883.23 ℃；3號刀具的表面溫度Tmin最低，為794.38 ℃；ΔT最大的是8號銑刀，為88.33 ℃；25把涂層銑刀的溫度范圍為794.38～883.23 ℃，溫差范圍為77.78～88.33 ℃。根據式(3)可計算出各個銑刀的平均溫差為83.11 ℃。

(3)

(2)石墨制支撐臺

以石墨為支撐臺進行仿真后，1～15號銑刀沿Z軸溫度的Tmax、Tmin及ΔT如表 3所示。

表3 各刀具的仿真溫度Tmax，Tmin及ΔT(石墨制支撐臺)

從表 3可以看出：石墨制支撐臺的刀具溫度分布狀況與銅制的類似，13號銑刀的表面溫度Tmax最高， 為920.05 ℃；5號刀具的表面溫度Tmin最低， 為857.67 ℃；ΔT最大的是13號銑刀，為61.11 ℃；25把銑刀的溫度范圍為857.67～920.05 ℃，溫差范圍為52.09～61.11 ℃。根據式(4)計算出各個銑刀的平均溫差為57.17 ℃。

(4)

(3)陶瓷制支撐臺

以陶瓷材料為支撐臺進行仿真后，1～15號銑刀沿Z軸溫度的Tmax、Tmin及ΔT如表 4所示。從表 4中的數據可以看出：13號銑刀的表面溫度Tmax最高，為955.65 ℃；5號銑刀的表面溫度Tmin最低，為907.75 ℃；ΔT最大的是8號銑刀，為38.59 ℃；25把銑刀的溫度范圍為907.75～955.65 ℃，溫差范圍為36.56～39.67 ℃。根據式(5)可計算出各個銑刀的平均溫差為37.82 ℃。

(5)

表4 各刀具的仿真溫度Tmax，Tmin及ΔT(陶瓷制支撐臺)

將表2、表3、表4進行對比，可以看出刀具襯底溫度與其底部的散熱材料密切相關。支撐臺作為中間隔熱層, 較低的導熱系數可以減少水冷工作臺溫度(其溫度接近常溫)對沉積刀具溫度的影響，有利于提高刀具襯底的溫度的均勻性。在仿真中，與傳統的銅制支撐臺相比，陶瓷制支撐臺對應的各個銑刀的平均溫差降低了45 ℃。如式(6)所示，通過對比3種方案的溫差均值也可以發現：使用陶瓷材料制成的支撐臺對HFCVD法批量制備金剛石涂層銑刀的溫度均勻性的控制更好。

(6)

沉積多晶金剛石薄膜時，所允許的襯底溫度一般維持在600～1 000 ℃[14]。如果采用熱導率過低的材料作支撐臺，極有可能導致襯底溫度過高，超過金剛石沉積的允許溫度值。本試驗所采用的3種材料，其對應刀具的溫度極值均在允許沉積的范圍之內。

2.2 不同支撐臺材料對溫度分布的影響

在Z軸同一位置，不同刀具之間最大溫差分布詳見表 5(數據來源于圖3)。由表5可以看出：3組樣品(對于不同的支撐臺材料)最大溫差都出現在dz=70 mm的位置上；在70～100 mm的范圍內，3組樣品在同一位置的溫差幾乎相同；在0～70 mm的范圍內，銅和石墨支撐臺在XY平面內，反而展現了更優異的刀具溫度均勻性。但總體來說，與單個刀具在Z軸上仿真溫差數據相比(表2～表4)，不同刀具在同一XY平面內的溫度均勻性都較好，最大溫差也僅為15.24 ℃。這說明了刀具底部的散熱材料對XY平面內的襯底溫差影響并不顯著。事實上，前期的工作中已證實了XY平面內的襯底的溫度分布主要取決于熱絲的排布方式[15]。特別地，采用該仿真方法得到的仿真溫度與實際溫度的誤差較小，為3%～5%[13,15-16]。

表5 當Z 值固定時，各銑刀在XY面內溫差情況

3 結論

襯底溫度是影響HFCVD法批量沉積金剛石涂層刀具質量的關鍵因素，而影響襯底溫度分布均勻性的因素主要包括熱絲排布方式以及刀具底部的散熱方式。

我們聚焦于刀具底部散熱方式的優化問題，并運用GAMBIT網格劃分構造三維模型，再通過FLUENT仿真軟件采用耦合熱傳導、熱對流、熱輻射的有限容積法對其進行仿真分析并觀察其襯底的溫度分布情況，進而做了對比分析。

仿真結果顯示：刀具底部支撐臺的材料屬性對單個刀具體的溫度分布影響較大，對多個刀具在Z軸同一位置上的溫度均勻性影響較小；此外，相較于傳統的銅質臺和石墨質臺，采用熱導率小的陶瓷材料為支撐臺時，刀體平均溫差最小，為37.82 ℃，比采用銅材料為支撐臺時的刀體平均溫差降低了45 ℃。該仿真優化結果更有利于批量制備膜厚、質量均勻的CVD金剛石涂層刀具。