Математичне моделювання процесу утворення шаруватих конденсатів при електронно-променевому випаровуванні–конденсації бінарних систем типу Cu−Cr

Abstract

Розглядається механiзм спонтанного утворення шаруватих конденсатiв при електронно-променевому випаровуваннi з окремих тиглiв та подальшої конденсацiї бiнарних металевих систем. Моделювання кiнетичним методом Монте-Карло росту кристалiтiв показує, що конкурентний механiзм призводить до нелiнiйної залежностi швидкостi росту кристалiтiв кожної фази вiд густини потокiв. Розрахунок масопереносу свiдчить, що внаслiдок вiдбиття вiд поверхнi конденсату частини потоку атомiв на поверхнi ванн може утворюватися екрануюча плiвка з бiльш тугоплавкого компонента, завдяки якiй створюється зворотний зв’язок мiж швидкiстю випаровування компонентiв та складом конденсату. Показано, що при певних умовах це призводить до виникнення автоколивань, аперiодичного або стохастичного режимiв конденсацiї. Разом с флуктуацiями температури ванн це може призводити до появи шаруватих структур iз складною iєрархiєю товщини шарiв, якi спостерiгаються в реальних конденсатах.

Рассматривается механизм спонтанного образования слоистых конденсатов при электронно-лучевом испарении из отдельных тиглей и последующей конденсации бинарных металлических систем. Моделирование кинетическим методом Монте-Карло роста кристаллитов показывает, что конкурентный механизм приводит к нелинейной зависимости скорости роста кристаллитов каждой фазы от плотности потоков. Расчет массопереноса свидетельствует, что в результате отражения от поверхности конденсата части потока атомов на поверхности ванн может образовываться экранирующая пленка из более тугоплавкого компонента, благодаря которой создается обратная связь между скоростью испарения компонентов и составом конденсата. Показано, что при определенных условиях это приводит к возникновению автоколебаний, апериодического или стохастического режимов конденсации. Вместе с флуктуациями температуры ванн это может приводить к появлению слоистых структур со сложной иерархией толщин слоев, которые наблюдаются в реальных конденсатах.

The mechanism of spontaneous formation of layered condensates at the electron-beam physical vapor deposition from separate crucibles of binary metallic systems is discussed. Simulation of crystallite growth by the kinetic Monte Carlo method shows that the competitive mechanism leads to a nonlinear dependence of the crystallite growth rate in each phase on the density phase flows. The calculation of the mass transfer indicates that, as a result of the reflection from the condensate surface, atoms of the refractory component may form a shielding film of the more refractory component on the surface of a melt pool. This results in the formation of a feedback between the evaporation rate and the composition of the condensate. It is shown that, under certain conditions, this leads to the onset of self-oscillations of evaporation rates and establishing the oscillatory, aperiodic, or stochastic condensation modes. With fluctuations of the temperature of pools, this effect can lead to the formation of layered structures with complex hierarchies of the thicknesses of layers that are observed in real condensates.