EB-PVD Ni-Cr薄板沉积的多尺度模拟

【摘要】： 应第四代金属热防护系统发展的需要,大尺寸高温合金薄板的制备已成为必须攻克的难关。电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术为解决这一难题提供了有效途径。但是,EB-PVD设备庞大,工艺复杂,实验研究成本高、效率低,必须寻求除实验以外的研究方法更加深入、系统地对材料沉积过程及材料性能进行研究。现代计算机运算能力及理论物理的发展为EB-PVD薄板沉积过程模拟提供了必备的条件。本文采用二维动态蒙特卡罗(KMC)与元胞自动机(CA)相结合的方法模拟大尺寸Ni-Cr合金薄板沉积过程中工艺参数(基板温度、沉积速率、入射角度)对薄板微观结构的影响,并研究基板温度为500K(2D温度),最大理论沉积速率为2.5μm/min时大尺寸合金薄板性能沿基板径向的分布特征。 KMC模拟中,用嵌入原子法(EAM)表征Ni原子间相互作用,用嵌入原子法的合金模型描述Ni-Cr原子间相互作用,用动量机制确定被吸附原子在表面上的初始构型,用分子稳态计算(MS)方法计算扩散模型中跃迁原子的激活能,用红黑树选择跃迁路径并更新系统跃迁机率。对于模拟结果,用表面粗糙度和堆积密度作为沉积构型评价指标,同时利用分维理论研究基板温度、沉积速率对Ni-Cr薄膜分维的影响。为研究合金薄板的性能,采用KMC模拟恒温时间对Ni-Cr薄膜微观结构的影响,并结合工艺参数对薄膜微观结构影响的KMC模拟结果,建立CA模拟中的元胞演化规则。最后,用CA模拟相应工艺参数制备了大尺寸合金薄板,用原子力显微镜(AFM)分析、电阻率测量及厚度测量方法验证模拟结果的可靠性。 研究结果表明:对于Ni及Ni-Cr薄膜,基板温度、沉积速率以及入射角度共同作用影响薄膜的沉积结构。在特征入射角度是35?时,基板温度和沉积速率对表面粗糙度和堆积密度的影响均存在两个临界值:当沉积速率是5μm/min时,临界基板温度是250K和500K;当基板温度是500K时,临界沉积速率是5μm/min和1000μm/min。在临界基板温度和临界沉积速率区间内:表面粗糙度随基板温度升高而减小、随沉积速率增大而增大;堆积密度随基板温度升高而增加、随沉积速率增大而降低。当基板温度低于250K,或沉积速率大于1000μm/min时,沉积结构含有丰富的空位,堆积密度仅为77.8%左右,表面粗糙度达3.31。当基板温度高于500K,或沉积速率小于5μm/min率时,沉积结构中空位含量很少,堆积密度达99.6%以上,表面粗