一种流态化化学气相沉积锆包覆层的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种流态化化学气相沉积锆包覆层的系统及方法。初始原料粉体在流化床内经过预处理，随后在包覆流化床中实现锆包覆层的制备。本发明专利技术制备锆包覆材料具有以下优势：(1)包覆材料的形状和尺寸不受限制，能够在非常复杂形状零部件或粉体上沉积Zr包覆层；(2)生产成本低，环境友好，能够实现锆源的循环利用；(3)显著降低了传统Zr包覆层的温度；(4)通过连续进出料的流化床，从而能够实现连续规模化批量生产，具有良好的经济效益和社会效益。

A Fluidized Chemical Vapor Deposition System and Method for Zirconium Coating

【技术实现步骤摘要】
一种流态化化学气相沉积锆包覆层的系统及方法
本专利技术属于化工、材料领域，特别涉及一种流态化化学气相沉积生产锆包覆涂层的系统及方法。
技术介绍
金属锆具有中子吸收截面小，极优异的耐腐蚀性能，且生物相容性好的特点，在核反应堆、化工设备、医疗器械、军事工业等领域中的关键零部件起着重要的作用。但是锆金属制备困难，零部件价格昂贵，导致工业中大面积应用受到限制。为了降低成本和扩大工业应用范围，越来越多的人们开始关注锆包覆的制备技术。目前，制备锆包覆材料主要有以下三大类方法：(1)物理沉积法，例如磁控溅射，蒸发沉积，脉冲激光气相沉积法。这些方法的基本原理为在高真空的环境中，将纯锆靶材采用等离子体溅射，或电阻/激光加热将锆靶材气化，随后气态的锆冷凝沉积或包覆在目标器件上形成锆包覆层。例如，印度的Kuppusami等人(AppliedSurfaceScience257(2011)9909–9914)采用高纯锆靶材，基于磁控溅射技术，在室温至600℃制备了锆包覆的D-9合金和Si材料。中国工程物理研究院的龙兴贵等人(材料研究学报，2015，29:475-480)基于激光与锆靶材的相互作用形成等离子体让锆原子沉积在Mo衬底上，制备了Zr包覆的Mo材料。但这些工艺都需要成本高昂的高纯Zr靶材，并且实验装置需要高真空，导致锆包覆材料的价格仍然非常昂贵，工业中难以接受。(2)熔盐电沉积法，即在氟化物体系(LiF，NaF，KF，CaF2)，氯化物体系(LiCl，NaCl，KCl，CaCl2)或者氟-氯体系的低共熔点的锆盐(ZrF4，ZrCl4，K2ZrF6，K2ZrCl6)中，施加电场，Zr4+获得电子，在目标基体上转变为锆原子，并生长包覆在基体上。例如，麻省理工大学的Kipouros等人(JournaloftheElectrochemicalSociety,1985,132:1087)基于NaF-LiF-KF-ZrF4(5wt.％)体系，在750℃以上获得了闪亮的锆包覆材料。我国有色金属研究院的叶尚云和李国勋等人(中国腐蚀与防护学报，1990，10:66)分别采用直流和周期正反向电流法在镍和铜基体上获得了致密的锆包覆层。然而，Zr的价态较多(+4，+3，+2，+1)，在电沉积的过程中，难以直接将+4价转化为0价的锆原子，存在很多中间价态的锆盐，导致锆源的利用率特别低，同时氟化物、氯化物的体系对容器的腐蚀性大，在工业中很难推广。(3)化学气相沉积包覆法，其原理为气态的锆源发生化学反应，释放出锆原子形核并生长在需要被包覆的材料上。目前，基于化学气相沉积法制备锆涂层的报道非常少。美国能源部诺尔斯原子能实验室的Robb(JournalofTheElectrochemicalSociety,1959,106,126)基于高温下(1100℃)ZrI4的分解反应(ZrI4→Zr+2I2)在圆柱体的U块上包覆了一层锆涂层。国内北京有色金属研究总院稀有金属冶金材料研究所的尹延西等人(稀有金属，2016，40:922)在井式炉反应器中，基于Zr-I2体系提纯锆。但是，这些工艺效率都非常低，温度都较高，而且不适合工业上的低成本生产。综上所述，传统工艺制备Zr包覆材料成本高，效率低，严重限制了Zr包覆涂层的工业应用。因此，本领域亟需开发一种在较低温度下，低成本、高效率、大规模批量化生产Zr包覆涂层的新工艺。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术提出了一种流态化化学气相沉积锆包覆涂层的系统和方法，能在较低温度下，低成本、高效率、大规模批量化生产各种形状和厚度的锆包覆涂层。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术制备Zr包覆涂层的系统包括：第一粉体料仓1、流化床2、气化装置3、第一旋风分离装置4、第二粉体料仓5、待包覆材料料仓6、包覆流化床7、第二旋风分离装置8、尾气处理装置9、中转料仓10、回收料仓11、产品仓12；所述第一粉体料仓1的出料口与所述流化床2的进料口通过管道和料阀相连接；所述流化床2底部的进气口通过管道和气阀与惰性气体相连接；所述气化装置3的进气口通过管道和气阀与惰性气体相连接；所述气化装置3的出气口与所述流化床2的进气口通过管道相连接；所述流化床2的出气口与所述第一旋风分离装置4的进气口通过管道相连接；所述第一旋风分离装置4的出料口与所述流化床2的进料口通过管道和料阀相连接；所述第一旋风分离装置4的出气口通过管道与所述尾气处理装置9相连接；所述流化床2的出料口与所述第二粉体料仓5的进料口通过管道和料阀相连接；所述第二粉体料仓5的进气口通过管道和气阀与惰性气体相连接；所述待包覆材料料仓6的出料口与所述包覆流化床7的进料口通过管道和料阀相连接；所述第二粉体料仓5的出料口与所述包覆流化床7的进料口通过管道和料阀相连接；所述包覆流化床7的进气口通过管道和气阀与惰性气体相连接；所述包覆流化床7的出气口与所述第二旋风分离装置8的进气口通过管道相连接；所述第二旋风分离装置8的出料口与所述包覆流化床7的进料口通过管道和料阀相连接；所述第二旋风分离装置8的出气口通过管道和所述尾气处理装置9相连接；所述包覆流化床7的出料口与所述中转料仓10的进料口通过管道和料阀相连接；所述中转料仓10的出料口与所述回收料仓11的进料口通过管道和料阀相连接；所述回收料仓11的出料口与所述包覆流化床7的进料口通过管道和料阀相连接；所述中转料仓10的出料口与所述产品仓12的进料口通过管道和料阀相连接。本专利技术基于上述系统制备Zr包覆层的方法包括以下步骤：惰性气体经过管道从所述流化床2底部进气口进入所述流化床2中；所述第一粉体料仓1中的粉体经过管道进入所述流化床2中；所述气化装置3中的粉体升温至一定温度后，在惰性气体的载气下经过管道进入所述流化床2中，并在一定温度下反应一段时间；所述流化床2中出气口的部分细粉和气体经过所述第一旋风分离装置4分离后，粉体回收进入所述流化床2中，分离后的气体经过所述尾气处理装置9处理后排放或重复利用；所述流化床2中反应后的物料经过料阀和管道进入所述第二粉体料仓5中，在一定温度和惰性气体载入下经过管道进入所述包覆流化床7中；所述待包覆材料料仓6中待包覆的材料经过进料口进入所述包覆流化床7中，并在一定温度下包覆沉积一段时间；所述包覆流化床7中出气口的细粉经过所述第二旋风分离装置8分离后进入所述包覆流化床7中，分离后的气体经过所述尾气处理装置9处理后排放或重复利用；包覆后的材料和粉体经管道进入所述中转料仓10中经过分离得到包覆后的材料和反应粉体，反应粉体经过管道进入所述回收料仓11实现粉体的回收再利用，包覆后的材料经过管道进入所述产品仓12得到锆包覆的材料。优选地，所述第一粉体料仓1中粉体为海绵锆或氢化锆的中的任意一种或任意比例混合。优选地，所述流化床2中的反应温度为300℃至750℃，粉体平均停留时间为5min至180min。优选地，所述气化装置3中物料为四氯化锆或者四碘化锆的中任意一种或任意比例混合，温度范围为80℃至450℃。优选地，所述包覆流化床7中的反应温度为300℃至1000℃，沉积包覆时间大于5min。优选地，所述惰性气体为Ar气或He气。本专利技术制备Zr包覆涂层工艺与现有技术，具有如下突出优点：(1)包覆材料的形状和尺寸不受限制，能够本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种流态化化学气相沉积锆包覆层的系统，其特征在于，所述系统包括：第一粉体料仓(1)、流化床(2)、气化装置(3)、第一旋风分离装置(4)、第二粉体料仓(5)、待包覆材料料仓(6)、包覆流化床(7)、第二旋风分离装置(8)、尾气处理装置(9)、中转料仓(10)、回收料仓(11)、产品仓(12)；所述第一粉体料仓(1)的出料口与所述流化床(2)的进料口通过管道和料阀相连接；所述流化床(2)底部的进气口通过管道和气阀与惰性气体相连接；所述气化装置(3)的进气口通过管道和气阀与惰性气体相连接；所述气化装置(3)的出气口与所述流化床(2)的进气口通过管道相连接；所述流化床(2)的出气口与所述第一旋风分离装置(4)的进气口通过管道相连接；所述第一旋风分离装置(4)的出料口与所述流化床(2)的进料口通过管道和料阀相连接；所述第一旋风分离装置(4)的出气口通过管道与所述尾气处理装置(9)相连接；所述流化床(2)的出料口与所述第二粉体料仓(5)的进料口通过管道和料阀相连接；所述第二粉体料仓(5)的进气口通过管道和气阀与惰性气体相连接；所述待包覆材料料仓(6)的出料口与所述包覆流化床(7)的进料口通过管道和料阀相连接；所述第二粉体料仓(5)的出料口与所述包覆流化床(7)的进料口通过管道和料阀相连接；所述包覆流化床(7)的进气口通过管道和气阀与惰性气体相连接；所述包覆流化床(7)的出气口与所述第二旋风分离装置(8)的进气口通过管道相连接；所述第二旋风分离装置(8)的出料口与所述包覆流化床(7)的进料口通过管道和料阀相连接；所述第二旋风分离装置(8)的出气口通过管道和所述尾气处理装置(9)相连接；所述包覆流化床(7)的出料口与所述中转料仓(10)的进料口通过管道和料阀相连接；所述中转料仓(10)的出料口与所述回收料仓(11)的进料口通过管道和料阀相连接；所述回收料仓(11)的出料口与所述包覆流化床(7)的进料口通过管道和料阀相连接；所述中转料仓(10)的出料口与所述产品仓(12)的进料口通过管道和料阀相连接。...

【技术特征摘要】
1.一种流态化化学气相沉积锆包覆层的系统，其特征在于，所述系统包括：第一粉体料仓(1)、流化床(2)、气化装置(3)、第一旋风分离装置(4)、第二粉体料仓(5)、待包覆材料料仓(6)、包覆流化床(7)、第二旋风分离装置(8)、尾气处理装置(9)、中转料仓(10)、回收料仓(11)、产品仓(12)；所述第一粉体料仓(1)的出料口与所述流化床(2)的进料口通过管道和料阀相连接；所述流化床(2)底部的进气口通过管道和气阀与惰性气体相连接；所述气化装置(3)的进气口通过管道和气阀与惰性气体相连接；所述气化装置(3)的出气口与所述流化床(2)的进气口通过管道相连接；所述流化床(2)的出气口与所述第一旋风分离装置(4)的进气口通过管道相连接；所述第一旋风分离装置(4)的出料口与所述流化床(2)的进料口通过管道和料阀相连接；所述第一旋风分离装置(4)的出气口通过管道与所述尾气处理装置(9)相连接；所述流化床(2)的出料口与所述第二粉体料仓(5)的进料口通过管道和料阀相连接；所述第二粉体料仓(5)的进气口通过管道和气阀与惰性气体相连接；所述待包覆材料料仓(6)的出料口与所述包覆流化床(7)的进料口通过管道和料阀相连接；所述第二粉体料仓(5)的出料口与所述包覆流化床(7)的进料口通过管道和料阀相连接；所述包覆流化床(7)的进气口通过管道和气阀与惰性气体相连接；所述包覆流化床(7)的出气口与所述第二旋风分离装置(8)的进气口通过管道相连接；所述第二旋风分离装置(8)的出料口与所述包覆流化床(7)的进料口通过管道和料阀相连接；所述第二旋风分离装置(8)的出气口通过管道和所述尾气处理装置(9)相连接；所述包覆流化床(7)的出料口与所述中转料仓(10)的进料口通过管道和料阀相连接；所述中转料仓(10)的出料口与所述回收料仓(11)的进料口通过管道和料阀相连接；所述回收料仓(11)的出料口与所述包覆流化床(7)的进料口通过管道和料阀相连接；所述中转料仓(10)的出料口与所述产品仓(12)的进料口通过管道和料阀相连...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱庆山，向茂乔，赵宏丹，宋淼，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11