Моделирование формирования состава покрытия при осаждении из плазмы

• Автор: Шанин, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 147 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ

1. ВИДЫ ПОКРЫТИЙ И СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ

1.1. Назначение покрытий

1.2. Современные технологии нанесения покрытий

1.3. Физические процессы, сопровождающие рост покрытий в плазменных технологиях

1.4. Моделирование теплофизических процессов в плазменных технологиях осаждения покрытий

1.5. Связанные процессы тепло- и массопереноса в деформируемых средах

1.6. Заключение

2. ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

2.1. Примеры принципиальных схем осаждения покрытий из плазмы

2.2. Математическая модель роста покрытия на поверхности цилиндрического образца
2.3. Физические параметры
2.4. Частные варианты модели
2.5. Алгоритм численного решения
2.6. Заключение
3. КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РОСТА ПОКРЫТИЯ
3.1. Упрощающие предположения
3.2. Метод численного решения и параметры
3.3. Предварительные результаты
3.4. Безразмерные переменные
3.5. Учет стадии адсорбции
3.6. Заключение
4. КИНЕТИКА ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОВОГО СОСТАВА РАСТУЩЕГО ПОКРЫТИЯ С УЧЕТОМ ПЕРЕКРЕСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

4.1. Простейшая модель формирования покрытия на детали цилиндрической формы
4.1.1. Особенности модели
4.1.2. Проверка на сходимость
4.1.3. Результаты расчета
4.2. Модель, учитывающая перекрестные диффузионные потоки
4.2.1. Особенности в постановке задачи
4.2.2 Проверка на сходимость
4.2.3. Результаты расчета
4.3. Модель, учитывающая термодиффузию и диффузионную теплопроводность
4.3.1. Особенности модели
4.3.2. Проверка сходимости
4.3.3. Результаты расчетов
4.4. Заключение
5. РОЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В КИНЕТИКЕ РОСТА ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ОБРАЗЦА
5.1. Причины появления напряжений в растущем покрытии
5.2. Задача о равновесии цилиндрического образца в условиях эксперимента
5.3. Полностью связанная модель
5.3.1. Изменение коэффициентов переноса
5.3.2 Проверка на сходимость
5.3.3. Расчеты для полностью связанной модели
5.4. Сравнение результатов расчета для связанной и несвязанной моделей
5.5. Заключение
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Современная техника работает в условиях повышенных температур и высоких механических нагрузок. Отдельные узлы машин и механизмов эксплуатируются в условиях одновременного воздействия механических нагрузок и агрессивной среды, что приводит к их быстрому изнашиванию и разрушению. В связи с этим необходима разработка новых материалов, отличающихся повышенными физикохимическими свойствами. К одним из наиболее перспективных материалов подобного типа, наряду с тугоплавкими металлами и их сплавами, относятся тугоплавкие соединения типа карбидов, боридов, нитридов, оксидов. Высокая износостойкость, твердость, коррозионная стойкость делает использование этих соединений в современном материаловедении весьма актуальным. Их активное применение часто сдерживается технологическими трудностями изготовления из них деталей машин и механизмов, особенно если у последних сложная форма, а также значительной хрупкостью и невысокими прочностными свойствами в условиях динамических нагрузок. Поэтому гораздо целесообразнее наносить тугоплавкие соединения в виде покрытий на достаточно пластичные и прочные подложки. В настоящее время для нанесения покрытий из тугоплавких материалов большое распространение получили магнетрон ный и вакуум но—дуговой РУО методы нанесения покрытий. Физико-химические процессы, сопровождающие рост покрытий в условиях этих методов, сложны и разнообразны. Их экспериментальное изучение - затруднительно. Математическое моделирование процесса роста покрытия с учетом совокупности физикохимических стадий открывает большие возможности для усовершенствования технологий и выбора условий, обеспечивающих получение покрытий заданного состава. Известные в этой области теоретические работы обращают внимание лишь на отдельные стадии процесса осаждения пленок и покрытий, сводят взаимосвязанные явления к чисто термическому или чисто диффузионному описанию процесса, к росту

систем коэффициентов переноса: независимых среди них оказывается много больше, чем должно быть вследствие принципов симметрии в перекрестных явлениях [89,95].
Система уравнений (1.8) включает в себя перкрестные потоки, связанные с такими явлениями, как термодиффузия и диффузионная теплопроводность, которые впервые наблюдались экспериментально и послужили основой построения термодинамики Онзагера. Первое явление заключается в появлении потоков вещества вследствие наличия градиента температуры, второе - в переносе тепла за счет диффузии частиц.
При описании неизотермической диффузии вводят в рассмотрение

теплоты переноса <2к так, чтобы они удовлетворяли системе уравнений

В силу свойств матрицы коэффициентов Онзагера, эта система уравнений имеет единственное решение.
Для неизотермических условия потоки и «обобщенные силы» переопределяют [90,91] следующим образом.
Так как
7Л7| Ц- |
(У8к)т , 1 (д§к

Т{дТ

есть парциальные энтропии компонентов;
- ** |г— * и, VI,
кк - парциальные энтальпии компонентов, то для производства энтропии вследствие явлений теплопроводности и термодиффузии имеем:

[т) т