导流筒抗氧化涂层及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种工艺简单，涂层抗氧化性好的导流筒抗氧化涂层，它包括由碳/碳复合材料制备的基体，其特征是基体的表面设有由原位生长的碳化硅晶须组成的过渡层（2），其制备方法包括⑴备料、⑵催化剂制备、⑶加载催化剂、⑷原位生长碳化硅晶须，本发明专利技术导流筒基体加工方便，在导流筒基体上原位生长一层碳化硅晶须，利用碳化硅晶须的拔出桥连与裂纹转向机制降低涂层中的裂纹尺寸和数量，有利于大幅度提高碳化硅涂层的抗氧化性能和抗热震性能，而且整个制备过程可以通过化学气相沉积连续完成，大大简化了涂层的制备过程，提高了导流筒的综合性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种单晶炉热场零件导流筒，具体地说是一种导流筒抗氧化涂层及 制备方法，特别是涉及一种由碳/碳复合材料为基体的表面抗氧化涂层及制备方法。
技术介绍
导流筒是单晶硅拉制炉必须用的关键热场部件，主要用于控制热场的温度梯度 和引导氩气流，这就要求导流筒本身保温性能要好，且具有一定的抗气流冲刷能力。目 前单晶炉导流筒普遍由石墨件和碳毡组合制成，即用石墨加工出内筒和外筒，将碳毡夹 在内筒和外筒中间，再通过紧固件将三者组合在一起。这种导流筒的缺点是(1) 由于石墨强度低，导致导流筒使用寿命较短；(2)由于石墨的导热性能好，为了提高 保温性能，必须要在石墨内筒和外筒之间加一层碳毡，导致保温筒加工使用较为繁琐；(3)大尺寸导流筒成形困难，耗材较多。因此，近年来，许多硅单晶生产厂家采用碳纤 维复合材料整体导流筒代替石墨碳毡组合导流筒进行单晶硅棒的拉制，使上述问题得到 了较好的解决。但是，由于导流筒是在高温硅蒸汽条件下使用，高温下的熔硅具有极强的反应 活性，与石英坩埚反应生成SiO等氧化性物质并从熔体表面挥发，挥发出的SiO等氧化物 质围绕在导流筒的外表面，随着时间的延长，导流筒外表面逐渐被腐蚀而形成坑洞，影 响其使用效果，降低了使用寿命。因此，为了提高导流筒在高温硅蒸汽条件下的抗腐蚀 能力，进一步提高其使用寿命，在导流筒表面制备涂层是最好的选择，涂层抗腐蚀的特 性将延长导流筒的使用寿命。为提高导流筒的抗氧化和抗热震能力，因此，需要在碳/碳复合材料导流筒表 面制备抗氧化涂层。目前，常用的方法是采用化学气相沉积(CVD)法制备涂层，CVD 方法制备抗氧化涂层的特点是涂层致密平整、纯度高，而且可以实现对涂层组织、形 貌、成分以及厚度的设计。因此，CVD涂层技术广泛应用于半导体、冶金行业等用高 温、高纯度的各种热结构部件表面涂层，其中以SiC涂层应用最为广泛。SiC具有化学 惰性较大，优良的高温机械性能，抗热震性能和抗氧化能力，极高的熔点，而且SiC高 温氧化反应可生成连续、均勻、致密的&02氧化保护薄膜，故SiC涂层和SiC复合涂层 是碳/碳复合材料抗氧化涂层的首选材料。但是目前开发出来的SiC涂层和SiC复合涂 层的防氧化效果远不及理论值，其主要原因在于没有很好的解决好涂层的结构问题。如 申请号为200910310354.5，公布号为CN101717992A，专利技术名称为一种CZ硅晶体生长炉 碳一碳复合材料导流筒及其制备方法公开了一种对导流筒进行表面抗氧化抗冲蚀涂层处 理，导流筒表面设有碳化硅涂层。由于碳/碳复合材料基体和SiC热膨胀系数不匹配， 所制备的SiC涂层与碳/碳复合材料基体的结合性较差，容易脱落，开裂，没有很好的解 决导流筒抗气流冲刷能力的问题。同时，采用碳/碳复合材料整体制备导流筒，在预制体制作时，其法兰的成形 有一定的难度，且因要考虑整体导流筒预制体的后续热加工过程中的变形因素，往往将整体导流筒预制体的法兰做得较厚，增加了加工难度，耗材也较多。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种工艺简单，涂层抗氧化性好的导流筒抗氧化涂层及制 备方法，特别是提供一种在导流筒基体上原位生长一层碳化硅晶须，使基体和致密的碳 化硅表层之间形成碳化硅晶须过渡层的制备方法。本专利技术是采用如下技术方案实现其专利技术目的的，一种导流筒抗氧化涂层，它包 括由碳/碳复合材料制备的基体，基体的表面设有由原位生长的碳化硅晶须组成的过渡层。本专利技术为进一步提高涂层的抗氧化能力，过渡层上设有由致密碳化硅组成的表层。本专利技术为加工方便，所述的基体包括筒体、法兰，筒体、法兰通过连接件连 接。本专利技术所述的连接件为用碳/碳复合材料制成的螺钉或螺栓或螺柱或销钉中的一种。一种上述导流筒抗氧化涂层的制备方法，它包括以下步骤 ⑴备料将导流筒基体打磨、抛光，洗涤干净后烘干备用；⑵催化剂制备配制催化剂的前驱体醇水溶液，使溶液中Ni2+: Al3+= (5 15) (1 3)，乙醇的体积占溶液总体积的5% 20%，加入尿素水溶液，调节使Ni2+的浓 度为(0.05 0.2) mol/L,充分搅拌均勻后转移到反应釜中；⑶加载催化剂将步骤⑴所得基体放入反应釜溶液中常压浸渍5h 12h，然后将反 应釜浸入95°C 120°C的油浴中反应lh 3h，将反应釜用冷水急冷至室温后将基体从中 取出，在常温下阴干后待用；⑷原位生长碳化硅晶须将步骤⑶所得基体放入化学气相沉积炉中，抽真空，通入 氩气，在氩气保护下进行升温，沉积温度为950°C 1250°C，在到达沉积温度前lOmin 60min关闭氩气，通入氢气对催化剂进行还原，达到沉积温度后保温lOmin 60min，然 后以氢气作为载气和稀释气体，流量比为1:1，用鼓泡法将三氯甲基硅烷引入沉积炉中， 盛装三氯甲基硅烷的容器瓶置于恒温水浴中，水浴温度18°C 25°C，沉积时间为lh 50h,压力为常压，在基体表面制备原位生长的碳化硅晶须组成的过渡层。本专利技术为进一步提高涂层的抗氧化能力，在碳化硅晶须组成的过渡层上制备由 致密碳化硅组成的表层，当碳化硅晶须沉积完成后，将稀释气体改换成氩气，载气为氢 气，并调整稀释气体流量与载气流量比为2 : 1，沉积温度为950°C 1250°C，沉积时间 为lh 50h，压力为常压。本专利技术在步骤⑴中，所述的基体包括筒体、法兰，筒体、法兰通过连接件连 接。本专利技术所述的连接件为用碳/碳复合材料制成的螺钉或螺栓或螺柱或销钉中的一种。由于采用上述技术方案，本专利技术较好的实现了专利技术目的，导流筒基体加工方 便，在导流筒基体上原位生长一层碳化硅晶须，再制备致密的碳化硅外层，从而在基体和致密的碳化硅表层之间形成SiCw过渡层，其热膨胀系数介于基体和碳化硅之间，可以 有效降低由于热膨胀系数不匹配产生的热应力，同时，利用碳化硅晶须的拔出桥连与裂 纹转向机制降低涂层中的裂纹尺寸和数量，有利于大幅度提高碳化硅涂层的抗氧化性能 和抗热震性能，而且整个制备过程可以通过化学气相沉积连续完成，大大简化了涂层的 制备过程，提高了导流筒的的综合性能。附图说明图1是本专利技术导流筒的结构示意图2是本专利技术在导流筒基体表面制备有由碳化硅晶须组成的过渡层的结构示意图； 图3是本专利技术在导流筒基体表面原位生长的碳化硅晶须的表面扫描电镜照片； 图4是本专利技术在导流筒基体表面原位生长的碳化硅晶须的X-Ray衍射图谱； 图5是本专利技术在导流筒基体表面原位生长的碳化硅晶须的截面扫描电镜照片； 图6是图1的A处放大示意图7是本专利技术在导流筒基体表面制备有过渡层及表层时，表层的表面扫描电镜照片；图8是本专利技术实施例6 (曲线II)、实施例8 (曲线III)、实施例2 (曲线IV)、实 施例10 (曲线V)与传统化学气相沉积法制备的SiC涂层试样(曲线I )在1100°C空气 中等温氧化失重曲线；图9是本专利技术实施例6 (曲线II)、实施例8 (曲线III)、实施例2 (曲线IV)、实 施例10 (曲线V)与传统化学气相沉积法制备的SiC涂层试样(曲线I )空气中经历15 次1100°C X3min— —室温X3min热循环的氧化失重曲线。具体实施例方式下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1 由图1、图2可知，一种导流筒抗氧化涂层，它包括由碳/碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种导流筒抗氧化涂层，它包括由碳／碳复合材料制备的基体，其特征是基体的表面设有由原位生长的碳化硅晶须组成的过渡层（２）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：廖寄乔，邰卫平，李军，王跃军，
申请(专利权)人：湖南金博复合材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：43