引言
鈦基材料因具有耐腐蝕性能好、密度低、比強度高等優良的物理性質，在真空鍍膜領域中常被用做靶材來制備鈦基復合材料，從而提高基材性能和使用壽命，不僅可以合理的利用資源，降低生產成本，也促進了鈦材在工業領域的應用［1－2］。在眾多的鍍膜技術中，磁控濺射技術具有基片溫升慢、沉積速率快等優點，能夠有效提高薄膜附著力和均勻性，而且幾乎所有的金屬都可以作為濺射靶，因此廣泛應用于各種工業薄膜制備領域中。高純鈦材作為一種昂貴的金屬靶材，其冶煉過程復雜，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量以及鍍膜成本，因此，提高鈦靶的利用率和穩定性尤為重要［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荷的限制，其中80%的電能都會轉化為熱量，導致鈦靶急劇升溫［5－6］。當濺射電流較大時，過多陽離子對靶進行轟擊會使濺射靶過熱而燒毀，或因熱應力過大使表面出現裂紋，進而導致薄膜出現大量斑點缺陷，使用壽命遠遠達不到正常水平［7］。
對于造價較高的靶材，如氚鈦靶而言，靶溫過高還會造成氚氣釋放，影響靶的熱穩定性及使用壽命［8－9］。因此，磁控濺射靶都會設置冷卻系統，通過冷卻水帶走離子轟擊靶材產生能量的約70%［10］，從而保證濺射過程的穩定性。目前針對鈦靶制造工藝的研究很多，但對鈦靶磁控濺射鍍膜過程中的冷卻研究卻很少，因為測量靶面溫度本身就存在難度［11－13］。隨著計算機相關軟件的開發和應用，為鈦靶的冷卻模擬提供了平臺。本研究基于FLUENT軟件對磁控濺射過程中鈦靶的冷卻系統進行模擬，通過改變水流入口速度和水流通道結構，對冷卻系統進行優化，以達到控制鈦靶溫度、提高鈦靶壽命及磁控濺射穩定性的目的。
1、鈦靶冷卻系統的建立與仿真
1.1物理模型的建立
圖1為鈦靶冷卻系統的物理模型，鈦靶(r=75mm，t=8mm)和銅背板(r=100mm，t=14mm)組成。其中銅背板內部刻有蛇形冷卻通道結構，如圖1a所示。冷卻水進出口(截面尺寸為20mm×5mm)分布在同一側，水流進入背板后，經過三次轉折流出背板，設計該結構的目的是為了增加水流的湍流效果，增強換熱效率。整個冷卻系統在LUENT的前處理器GAMBIT中進行建模并劃分網格［14］，圖1b為簡化后的鈦靶磁控濺射冷卻系統計算模型。
1.2邊界條件設置
鈦靶冷卻系統的建模包括三部分:銅背板、鈦靶和冷卻水，在FLUENT中進行計算之前，需要設置合適的邊界條件來保證計算結果的正確性。假設在冷卻過程中，流體流動為穩態流動，流體設為湍流模型，即雷若數介于2530～5050之間，選擇標準的k-ε模型。在流體換熱的過程中，由于鈦靶表面局部溫度會高達幾百攝氏度，所以會有很少一部分液體形成蒸汽，但在模擬過程中，為了簡化計算模型，這部分相變產生的蒸汽忽略不計［15］。流體入口設為VELOCITY-INLET，溫度設為288K，速度為0.5、1.0、1.5m/s，出口設為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化為靶材的熱能，故將鈦靶表面設置為一個發熱壁面(HEATWALL)，熱流密度為100kW/m2。
由于背板對鈦材換熱影響較小，設置為WALL，所有的壁面都為無滑移邊界條件［16］，具體的設置如表1所示。
1.3模擬結果分析
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，當水流入口速度為0.5m/s時，在冷卻通道的空白處對應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移，靶面局部最高溫度可以達到530K;當水流入口速度分別增加到1.0m/s和1.5m/s時，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應的溫度分布圖放在同一個溫度刻度表內進行比較。通過對比可知: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。在結構的限制下，水流發生強制轉折，故湍流效果較明顯，水流的流動軌跡大致成“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、鈦靶冷卻系統優化設計與分析
2.1鈦靶冷卻通道結構的改進
針對上述模擬結果提出的問題，提出了如下優化結構，如圖3所示。
優化結構的冷卻通道為平面結構，該結構較蛇形結構簡單，冷卻水的進出口(截面尺寸為20mm×5mm)位于同一軸線上。該結構的設計目的是增大水流換熱面積，增強換熱效率，同時通過在鈦靶表面上增加均勻分布的小圓柱體結構(r=5mm，H=2mm)來加強水流的湍流效果。圖3b為簡化后的計算模型，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，模擬結果如圖4所示，其中圖4a為鈦靶冷卻系統的溫度分布云圖，圖4b為水流速度分布云圖。由圖4a可以看出，當水流入口速度為0.5m/s時，鈦靶表面最高溫度達到464K，與優化前相比降低63K，說明優化后的結構有利于提高冷卻系統的換熱效率。隨著入口水流速度的增加，鈦靶表面溫度分布有所改善，高溫區域逐漸減少，并在入口水流速度為1.5m/s時最好。
結合冷卻系統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，水流的速度分布在進出口軸線的兩側形成漩渦，冷卻水與鈦靶表面之間的換熱增強，因此鈦靶表面的平均溫度降低。但該結構仍然存在弊端，整個鈦靶表面的溫度分布并不均勻，在水流出口處兩側形成了半圓環狀的高溫區域。
在鈦靶表面建立半徑為50mm的環形(鈦靶表面高溫環形區域)，其溫度變化趨勢圖如圖5所示。
從冷卻水的入口到出口方向看，鈦靶表面環形區域溫度整體呈現遞增的趨勢，溫度值波動較大造成鈦靶表面溫度分布不均，所以有必要對冷卻系統結構進行進一步的優化。
鑒于以上分析結果，結合冷卻通道本身是圓柱形內腔，如果水流沿著內腔切向方向進入，水流流動的阻力就會大大減小，所以在上述平面冷卻通道結構的基礎上，將進出口改為沿內壁切向，并研究不同進出口夾角對冷卻效果的影響。
2.2水流進出口方向對鈦靶換熱效率的影響
水流進出口方向沿著冷卻內墻壁切向的結構如圖6所示，分別是夾角α為135°、150°、180°時的三種背板結構。在冷卻模擬的過程中，邊界條件的設置與上文相同，將三種不同的冷卻系統結構分別導入FLUENT中進行冷卻模擬，其中水流進口速度均設置為1.5m/s，經過100次迭代后計算結果已經收斂。模擬結果如圖7所示，其中圖7a為進出口水流速度矢量夾角α為135°、150°、180°時冷卻系統的水流速度分布云圖，圖7b為冷卻水流動軌跡圖。
由圖7a可以看出，冷卻水沿著內腔切線的流入方式能有效改善速度分布情況，更符合內腔本身的結構特點。水流速度在進出口附近比較大，這是由于在進出口與內腔的連接處水流截面面積發生突增，導致速度突降，但水流速度的降低勢必會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，能有效增強水流湍流效果，增加冷卻水與鈦靶表面的碰撞強度，在流動過程中將熱量進行有效轉移，提高冷卻系統的換熱效率。由圖7a還可以看出，隨著進出口距離的增大，冷卻內腔速度分布更加均勻，并在進出口呈相對平行布置時效果達到最佳，這對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入冷卻系統后，入口附近的流線分布較密集，而且在進出口之間會形成完整的漩渦，尤其在α角比較小時更為明顯。在冷卻系統內腔結構的限制下，水流軌跡從入口到出口形成了一定半徑的圓弧，且距離進出口越遠，圓弧軌跡半徑越大，同時流線分布也越稀疏。這是因為距離進出口越遠的區域水流速度越小，能量相對較弱，因此會出現流線稀疏的現象，甚至在出口附近會形成空白。但隨著α角的增大，流線的整體分布情況會有所改善，在進出口呈相對平行布置時的流線分布較為理想。
為了更加直觀地呈現不同進出口布置下鈦靶表面的溫度分布情況，在FLUENT后處理中，將鈦靶表面溫度數據導出并通過origin進行數值分析，得出如圖8所示的鈦靶表面溫度分布云圖。
由圖8a可知，當夾角α為135°時，鈦靶表面的高溫區域集中在距離進出口較遠的區域，最高溫度值達到447K。由圖8b、c可以看出，隨著α角的增大，高溫區域逐漸減小，并在進出口呈平行布置時最小，且鈦靶表面最高溫度為440K。數值分析結果與上述流場分析結果一致，證明了當冷卻水的入口速度保持不變時，水流進出口速度矢量夾角對鈦靶表面冷卻效果具有較大的影響，當夾角增加至180°，即進出口呈平行布置時，鈦靶表面冷卻效果最好。
圖9為當水流流速為1.5m/s且進出口呈相對平行(α=180°)時水流分別沿著圖3和圖6c所示的進出口方向流入冷卻系統時的鈦靶表面溫度分布情況。從圖中可以明顯看出優化后的鈦靶表面溫度分布更均勻，且平均溫度也有所降低，也進一步的說明優化后的結構是合理的。
3、結論
基于FLUENT軟件對鈦靶的冷卻系統進行仿真并做出合理優化，得到的主要結論如下:
(1)平面冷卻通道結構的換熱效果優于蛇形冷卻通道結構，同時水流入口速度對冷卻系統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)提高冷卻系統的換熱效率應兼顧換熱面積最大化以及冷卻水的湍流效果，針對平面冷卻通道而言，靶面均布凸起小圓柱體結構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)冷卻水沿著內腔的切線進出更符合冷卻系統結構本身的特點，流體軌跡在腔體內呈旋轉狀，流體湍流效果較好，系統的冷卻效率明顯提高。且當水流進出口呈相對平行時靶面最高溫度最小，整個靶面溫度分布也更均勻。
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