Algpõhjused, tõrkemehhanismid ja tehnilised lahendused

Sissejuhatus

Titaansihtide pragunemise põhjuste mõistmine nõuab enamat kui lihtsat materjalide selgitust. Nähtus hõlmab termilise pinge, mikrostruktuuri, jahutustõhususe, sidumiskvaliteedi, sihtmärgi geomeetria ja pihustusparameetrite keerulist koostoimet.

Selles artiklis uuritakse titaanist sihtmärgi lõhenemise taga olevaid põhimehhanisme ja pakutakse praktilisi insenerilahendusi sihtmärgi eluea ja protsessi stabiilsuse maksimeerimiseks.

Titaanist sihtmärgi stressikeskkonna mõistmine

Magnetroni pihustamise ajal pommitavad energeetilised ioonid sihtpinda pidevalt.

Sihtrühma kogemused:

Lokaalne küte

Termorattasõit

Mehaanilised piirangud

Elektromagnetilised jõud

Tootmisjääkpinged

Kuigi titaanil on toatemperatuuril suurepärane tugevus ja sitkus, võib see siiski tekitada pritsimistingimustes kriitilise pingekontsentratsiooni.

Kui need pinged ületavad materjali purunemiskindlust, tekib pragunemine.

Ebaõnnestumine toimub tavaliselt kolmes etapis:

Stressi kuhjumine

Pragude teke

Pragude levik

Põhjus 1: liigne termiline stress

Kõige tavalisem rikkemehhanism

Termiline pinge põhjustab enamiku titaani sihtmärgi pragunemise juhtudest.

Pihustamise ajal aitab aatomite väljutamisele kaasa vaid murdosa sisendvõimsusest.

Suur protsent muundub soojuseks.

Sihtpinna temperatuur võib tõusta oluliselt kõrgemaks kui tugiplaadi ja jahutussüsteemi temperatuur.

See loob temperatuurigradiendi:

Kuum pind ↓ titaanist sihtmärk ↓ jahe alusplaat

Kuum pind paisub, samas kui jahedam tagakülg piirab laienemist.

Selle tulemusena tekib sisemine stress.

Termilist pinget saab ligikaudselt arvutada järgmiselt: s=E a DT

Kus:

σ=termiline pinge

E=elastsusmoodul

= soojuspaisumistegur

ΔT=temperatuuri erinevus

Isegi mõõdukad temperatuurierinevused võivad tekitada suurel-pindaladel titaansihtmärkide sisemist pinget.

Tüüpilised sümptomid

Radiaalsed praod

Ümbermõõdu praod

Serva lõhenemine

Keskjoone murrud

Tehniline lahendus

Parandage vesijahutuse efektiivsust

Säilitage jahutusvedeliku ühtlane vool

Vältige äkilist võimsuse suurenemist

Kasutage järkjärgulist võimsuse suurendamise protseduure

Jälgige sihtpinna temperatuuri

2. põhjus: kehv sihtmärgi-liimimine-alusplaadiga

Paljud titaanist pihustusobjektid on ühendatud vasest tugiplaatidega, kasutades:

Indiumi sidumine

Joote sidumine

Difusioonside

Elastomeeri liimimine

Sidekiht täidab kahte kriitilist funktsiooni:

Mehaaniline tugi

Soojusülekanne

Kui liimimise kvaliteet on halb, suureneb lokaalne soojustakistus.

Need alad muutuvad pritsimise ajal kuumadeks kohtadeks.

Kuumade kohtade tekkimisel:

Kohalik laienemine suureneb

Stressikontsentratsioon tõuseb

Tõenäoliseks muutub pragude teke

Levinud liimimisdefektid

Tühjad

Delamineerimine

Mittetäielik niisutamine

Ebaühtlane sideme paksus

Oksüdeeritud liidesed

Tuvastamismeetodid

Ultraheli kontroll

Infrapuna termopildistamine

röntgenuuring

Parim tava

Sihttootjad peaksid enne saatmist teostama 100% ultraheli sideme kontrolli.

Põhjus 3: tootmisest tulenev jääkstress

Titaani sihtmärgid läbivad mitu tootmisetappi:

Vaakumsulatamine

Sepistamine

Veeremine

Mehaaniline töötlemine

Stressi leevendav lõõmutamine

Kui jääkpinge jääb materjali lõksu, võib pihustussoojus neid pingeid aktiveerida ja võimendada.

Tulemuseks võib olla spontaanne pragunemine isegi siis, kui töötingimused tunduvad normaalsed.

Tüüpilised allikad

Tugev külmtöö

Liigne veeremise vähendamine võib põhjustada märkimisväärset jääkpinget.

Vale kuumtöötlus

Ebapiisav lõõmutamine jätab mikrostruktuuri sisemise pingeenergia.

Agressiivne mehaaniline töötlemine

Sügav lõikamine võib põhjustada pinna tõmbepinget.

Ennetamine

Vaakumpinge{0}}leevendus

Kontrollitud sepistamisgraafikud

Optimeeritud töötlemisparameetrid

Jääkpinge mõõtmine

Põhjus 4: ebanormaalne tera struktuur

Mikrostruktuur mängib sihtmärgi usaldusväärsuses suurt rolli.

Ebaühtlase terastruktuuriga titaansihtidel on sageli vähenenud vastupidavus termilisele väsimusele.

Jämeteravilja probleemid

Suured terad loovad:

Anisotroopne paisumine

Ebaühtlane deformatsioon

Tera piiri pingekontsentratsioon

Segatud tera suurusega probleemid

Peente ja jämedateraliste terade kombinatsioon põhjustab kuumutamisel lokaalse deformatsiooni mittevastavuse.

See mittevastavus kiirendab pragude teket.

Ideaalne titaanist sihtstruktuur

Kvaliteetsed{0}}pritsimise sihtmärgid sisaldavad tavaliselt järgmist:

Peened võrdsed terad

Teravilja ühtlane jaotus

Madal tekstuuri intensiivsus

Minimaalsed kaasamised

Need omadused soodustavad ühtlast soojusjaotust ja pingete hajumist.

Põhjus 5: hapnik ja interstitsiaalne saastumine

Titaan on interstitsiaalsete elementide suhtes äärmiselt tundlik:

Hapnik

Lämmastik

Vesinik

Süsinik

Nende hulgas on hapnik eriti kriitiline.

Kui hapniku kontsentratsioon suureneb:

Tugevus suureneb

Plastsus väheneb

Murdetugevus väheneb

Sihtmärk muutub rabedamaks.

Isegi kaubanduslikult puhas titaan võib praguneda, kui hapniku taset ei kontrollita korralikult.

Näide

CP titaan, klass 1:

Suurem elastsus

Parem pragunemiskindlus

CP titaan, klass 4:

Kõrgem tugevus

Madalam sitkus

Pommitamisrakenduste puhul, mis nõuavad kõrget termilist tsüklitakistust, eelistatakse üldiselt madalamat hapnikuklassi.

Põhjus 6: võimsustihedus on liiga kõrge

Kui kasutajad püüavad sadestuskiirust maksimeerida, ilmnevad paljud sihtmärgi tõrked.

Suurenev võimsustihedus suureneb:

Ioonidega pommitamine

Pinna temperatuur

Termilised gradiendid

Üle kriitilise piiri tekib lokaalne ülekuumenemine.

Hoiatusmärgid

Sage kaar

Ebanormaalsed pingekõikumised

Värvimuutus

Liigne erosioonisoone sügavus

Soovitatav lähenemine

Selle asemel, et võimsust dramaatiliselt suurendada:

Optimeerige magnetvälja disain

Parandada plasma ühtlust

Suurendage jahutuse efektiivsust

Kasutage suuremaid sihtmõõtmeid

Põhjus 7: ebaühtlane erosioon ja võidusõiduraja moodustumine

Magnetroni pihustamine tekitab loomulikult iseloomuliku erosioonimustri, mida tuntakse võidusõidurajana.

Kui pritsimine jätkub:

Teatud piirkonnad muutuvad õhemaks

Soojuse jaotus muutub ebaühtlaseks

Mehaaniline jäikus väheneb

Ülejäänud materjal peab kandma kasvavat termilist ja mehaanilist koormust.

Praod tekivad sageli lähedal:

Sügavad erosioonitsoonid

Võistlusraja servad

Õhukesed jääklõigud

Ennetusmeetmed

Magnetsõlmede pööramine

Optimeerige magneti disain

Jälgige erosiooni sügavust

Vahetage sihtmärgid enne kriitilise paksuse saavutamist

Põhjus 8: termiline väsimus korduva käivitamise{1}}seiskamistsüklite ajal

Paljud tootmisrajatised kasutavad pihustussüsteeme perioodiliselt.

Iga tsükkel seab eesmärgi:

Küte ↓ Paisumine ↓ Jahutus ↓ Kokkutõmbumine

Pärast sadu või tuhandeid tsükleid tekivad mikroskoopilised väsimuspraod.

Need praod kasvavad järk-järgult kuni katastroofilise rikkeni.

See nähtus on sarnane turbiini labade ja soojusvahetite termilise väsimusega.

Leevendusstrateegiad

Vähendage tarbetuid seiskamisi

Rakendada juhitavad kütterambid

Vältige kiiret jahutamist

Põhjus 9: kaasamine-indutseeritud pragunemine

Mittemetallist osad on ohtlikud pragude tekitajad.

Võimalikud lisamised hõlmavad järgmist:

TiO₂ osakesed

Karbiidid

Nitriidid

Oksiidklastrid

Termilise pinge all käituvad kandmised ümbritsevast titaanmaatriksist erinevalt.

Mittevastavus tekitab lokaalseid stressikontsentratsioone.

Praod tekivad sageli kaasamise liidestest.

Tootmisnõuded

Kvaliteetsed titaansihtmärgid tuleks valmistada, kasutades:

Vaakumkaare ümbersulatamine (VAR)

Elektronkiire sulatamine (EBM)

Ranged kaasamise kontrolli protseduurid

Mõranenud titaani sihtmärgi rikke analüüs

Kui sihtmärk praguneb, tuleks algpõhjust süstemaatiliselt uurida.

Tüüpiline rikete analüüsi töövoog sisaldab järgmist:

Visuaalne läbivaatus

Jälgige:

Pragude suund

Pragu asukoht

Erosiooni muster

Metallograafiline analüüs

Hinda:

Tera suurus

Kaasamise sisu

Mikrostruktuurilised kõrvalekalded

Fraktograafia

SEM-analüüs näitab, kas rike oli:

Termiline väsimus

Habras luumurd

Kaasamisest{0}}indutseeritud luumurd

Võlakirjade ülevaatus

Kontrollige:

Tühjad

Delamineerimine

Termilise liidese defektid

Protsessi ülevaade

Uurige:

Võimsuse ajalugu

Jahutusjõudlus

Kaare sagedus

Sihtkasutussuhe

Kui kõrge{0}}kvaliteetse titaani sihtmärgid vähendavad pragunemise ohtu

Kõige usaldusväärsematel titaanist pihustusobjektidel on mitmeid ühiseid omadusi:

Tootjad, kes suudavad neid tegureid järjekindlalt kontrollida, pakuvad pikemat kasutusiga, paremat sadestumise stabiilsust ja madalamaid omamiskulusid.

Järeldus

Titaani sihtmärgi pragunemine on harva põhjustatud ühest tegurist. Enamikul juhtudel tuleneb see termilise pinge, sideme kvaliteedi, mikrostruktuuri, jääkpinge, saastumise ja protsessi tingimuste koosmõjust.

Pritsivate kasutajate jaoks on olulised sammud jahutusdisaini parandamine, võimsustiheduse optimeerimine ja sihtmärgi erosiooni jälgimine. Sihttootjate jaoks on enneaegse rikke vältimise võti ühesuguse mikrostruktuuri, madala jääkpinge ja usaldusväärse sidemega kõrge-puhtusastmega titaansihtmärkide tootmine.

Kuna pihustussüsteemid liiguvad jätkuvalt suurema võimsustiheduse ja suuremate sihtvormingute poole, muutub sihtmärgi pragunemise algpõhjuste mõistmine üha olulisemaks. Hästi-konstrueeritud titaansihtmärk ei ole pelgalt kulumaterjal-, vaid oluline komponent, mis mõjutab otseselt kile kvaliteeti, protsessi stabiilsust ja tootmistõhusust.

Autori kohta

Spetsialiseerunud titaani pihustusobjektide ja täiustatud PVD materjalide tootjana tarnime kõrge -puhtusastmega titaani sihtmärke, titaanisulamist sihtmärke, Ti-Al-sulamist sihtmärke, tsirkooniumi sihtmärke, kroomi sihtmärke ja kohandatud liimitud kooste tööstuslikele pooljuhtseadmetele, kuvaritele ja PVD-le. Meie insenerimeeskond toetab kliente sihtmaterjali valiku, liimimistehnoloogia, mikrostruktuuri optimeerimise ja rikete analüüsi teenustega.

Võtke kohe ühendust