Как моделирование движения порошка помогает снизить потери при вакуумном нанесении покрытий

Почему порошок сложнее неподвижной подложки

При обработке плоской детали положение подложки относительно источника покрытия можно задать заранее. С порошком задача принципиально сложнее: подложкой становится каждая отдельная частица, а таких частиц в партии может быть множество. Они должны многократно и сопоставимым образом проходить через рабочую зону.

Эта задача особенно важна при подготовке порошковых прекурсоров для последующего синтеза новых сплавов. Требуется не просто нанести слой заданной средней толщины, а обеспечить близкое количество легирующего материала на большом числе частиц внутри партии. От этого зависит состав исходного материала на следующей стадии технологического цикла.

В экспериментальной работе в качестве основы использовался сферический порошок FeCrNi. На его поверхность наносились легирующие элементы, в том числе алюминий, кремний, ванадий и титан. Полученный материал рассматривался как прекурсор для последующего синтеза сплавов.

Как организовано многократное прохождение частиц через плазму

Установка подготовки прекурсоров построена по принципу ротационного перемещения. Вращающийся барабан оснащён лопатками, которые поднимают порошок из нижней части рабочей ёмкости. Затем частицы ссыпаются в фокусирующую воронку и тонким потоком проходят через зону напыления.

Покрытие формируют магнетронные распылительные системы — МРС. В рассматриваемой конфигурации источники расположены по схеме Face-to-Face, то есть обращены друг к другу. После прохождения между ними порошок попадает в нижнюю воронку, возвращается в барабан и снова включается в цикл.

В результате одна и та же частица многократно проходит через плазменную зону. Однако стабильность процесса определяется не только количеством циклов. Важно, чтобы частицы не выпадали из заданной траектории, не застревали в элементах установки и не проходили мимо области напыления.

Потери порошка и неравномерность обработки

Первые эксперименты показали, что доля теряемого материала могла составлять от 10 до 80% загрузки. Разброс зависел от угла схода порошка с лопаток, геометрии фокусирующих воронок и фактической траектории частиц.

Авторы работы разделили проблему на два вида:

• безвозвратные потери — порошок просыпался мимо воронок, барабана и других элементов, удерживающих его внутри рабочего цикла;
• условно возвратные потери — частицы временно застревали в системе или проходили мимо зоны напыления, а затем возвращались в движение.

Второй случай не всегда означает физическую потерю массы, но нарушает одинаковое время обработки частиц. Одни из них проходят через плазму чаще, другие — реже, что увеличивает разброс толщины покрытия и содержания легирующего элемента.

Для загрузки массой 3 кг был задан целевой уровень: сократить долю материала, покинувшего цикл или не получившего требуемую обработку, до 5–10%.

Математическая модель вместо серии изменений оборудования

Чтобы не изготавливать отдельный комплект лопаток и воронок для каждого варианта, команда разработала двумерную численную модель движения частиц. В её основе лежат метод дискретных элементов и физический движок Box2D версии 3.2.

Модель учитывает гравитацию, трение, упругость и центробежную силу. В расчёте можно изменять скорость вращения барабана, геометрию лопаток и воронок, а также количество моделируемых частиц.

Основная задача модели — описать механику перемещения порошка. Для оценки вариантов конструкции регистрируются число проходов частиц через расчётную зону МРС, продолжительность нахождения в ней и скорость прохождения. Эти показатели позволяют сравнивать разные геометрии до изготовления деталей установки.

Значения 18,35 и 0,446 секунды относятся к демонстрационному моделированию, а не к полной продолжительности промышленного процесса. Их назначение — показать, как траектория частиц переводится в измеряемое время воздействия распыляемого материала.

От расчёта к изменению конструкции

Визуальный анализ траекторий и расчёт времени нахождения частиц в рабочей зоне позволили скорректировать форму лопаток, фокусирующих воронок и улавливающих элементов. После выбора геометрии изменения перенесли в реальную установку.

По данным серийных измерений обработанных партий безвозвратные потери порошка удалось снизить до 10% загрузки. Одновременно сократилась доля частиц, которые пропускали рабочую зону или временно выпадали из циркуляции.

Модель также использовалась для оценки времени процесса. Для этого учитывались продолжительность нахождения частиц в зоне напыления, период их возврата и отдельно измеренная скорость осаждения покрытия в стационарном режиме. Представленные данные подтверждают применимость такого подхода, но не содержат численной оценки погрешности прогноза толщины.

Экспериментальная проверка покрытия

После изменения геометрии была проведена экспериментальная обработка сферического порошка FeCrNi. На поверхность частиц наносились покрытия алюминия и титана. Исследование поперечных шлифов методом сканирующей электронной микроскопии показало наличие слоя по периметру частиц.

Измеренная толщина покрытий находилась на уровне около 1 мкм. На представленных микроснимках для алюминиевого и титанового покрытий указаны значения приблизительно 0,95 и 1,10 мкм соответственно.

Для оценки состава дополнительно провели энергодисперсионный рентгеновский анализ. Для каждого исследованного прекурсора использовали 12–15 точек измерения. Результаты приведены в массовых процентах.

По результатам статистической обработки 12–15 значений относительная погрешность содержания легирующего элемента внутри исследованной партии составила 5–10%. Эти данные показывают возможность контролировать состав прекурсора на уровне партии.

Что даёт такой подход при разработке оборудования

Моделирование механики порошка не заменяет эксперимент, но позволяет перенести часть конструктивного поиска в цифровую среду. Инженер получает возможность предварительно сравнить варианты лопаток и воронок, оценить траектории частиц и только после этого изготавливать элементы установки.

В выполненной работе подход позволил:

• снизить безвозвратные потери порошка до 10% экспериментальной загрузки;
• связать движение частиц со временем их воздействия в зоне напыления;
• получить покрытия алюминия и титана толщиной около 1 мкм;
• оценить массовую долю легирующих элементов по серии EDS-измерений;
• сформировать основу для дальнейшей проверки межпартийной воспроизводимости.

Такой цикл — модель, изменение конструкции и экспериментальная проверка — применим при разработке специализированного вакуумного оборудования для обработки порошковых материалов, когда типовая система перемещения не обеспечивает требуемую траекторию и однородность воздействия.

Компетенции ФЕРРИ ВАТТ

ФЕРРИ ВАТТ разрабатывает вакуумные установки, технологические источники и системы перемещения подложек под конкретный процесс. В проекте нанесения покрытий на дисперсные материалы были объединены конструирование барабанного механизма, магнетронное распыление, моделирование движения частиц и экспериментальная верификация результата.