專利名稱：導(dǎo)流筒抗氧化涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種單晶爐熱場零件導(dǎo)流筒，具體地說是一種導(dǎo)流筒抗氧化涂 層，特別是涉及一種導(dǎo)流筒由碳/碳復(fù)合材料為基體的表面抗氧化涂層。
背景技術(shù)：
導(dǎo)流筒是單晶硅拉制爐必須用的關(guān)鍵熱場部件，主要用于控制熱場的溫度梯度和 引導(dǎo)氬氣流，這就要求導(dǎo)流筒本身保溫性能要好，且具有一定的抗氣流沖刷能力。目前單晶 爐導(dǎo)流筒普遍由石墨件和碳?xì)纸M合制成，即用石墨加工出內(nèi)筒和外筒，將碳?xì)謯A在內(nèi)筒和 外筒中間，再通過緊固件將三者組合在一起。這種導(dǎo)流筒的缺點(diǎn)是(1)由于石墨強(qiáng)度低， 導(dǎo)致導(dǎo)流筒使用壽命較短；(2)由于石墨的導(dǎo)熱性能好，為了提高保溫性能，必須要在石墨 內(nèi)筒和外筒之間加一層碳?xì)郑瑢?dǎo)致保溫筒加工使用較為繁瑣；(3)大尺寸導(dǎo)流筒成形困難， 耗材較多。因此，近年來，許多硅單晶生產(chǎn)廠家采用碳纖維復(fù)合材料整體導(dǎo)流筒代替石墨碳 氈組合導(dǎo)流筒進(jìn)行單晶硅棒的拉制，使上述問題得到了較好的解決。但是，由于導(dǎo)流筒是在高溫硅蒸汽條件下使用，高溫下的熔硅具有極強(qiáng)的反應(yīng)活 性，與石英坩堝反應(yīng)生成SiO等氧化性物質(zhì)并從熔體表面揮發(fā)，揮發(fā)出的SiO等氧化物質(zhì)圍 繞在導(dǎo)流筒的外表面，隨著時(shí)間的延長，導(dǎo)流筒外表面逐漸被腐蝕而形成坑洞，影響其使用 效果，降低了使用壽命。因此，為了提高導(dǎo)流筒在高溫硅蒸汽條件下的抗腐蝕能力，進(jìn)一步 提高其使用壽命，在導(dǎo)流筒表面制備涂層是最好的選擇，涂層抗腐蝕的特性將延長導(dǎo)流筒 的使用壽命。為提高導(dǎo)流筒的抗氧化和抗熱震能力，因此，需要在碳/碳復(fù)合材料導(dǎo)流筒表面 制備抗氧化涂層。目前，常用的方法是采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法制備涂層，CVD方法制備 抗氧化涂層的特點(diǎn)是涂層致密平整、純度高，而且可以實(shí)現(xiàn)對涂層組織、形貌、成分以及厚 度的設(shè)計(jì)。因此，CVD涂層技術(shù)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、冶金行業(yè)等用高溫、高純度的各種熱結(jié) 構(gòu)部件表面涂層，其中以SiC涂層應(yīng)用最為廣泛。SiC具有化學(xué)惰性較大，優(yōu)良的高溫機(jī)械 性能，抗熱震性能和抗氧化能力，極高的熔點(diǎn)，而且SiC高溫氧化反應(yīng)可生成連續(xù)、均勻、致 密的SW2氧化保護(hù)薄膜，故SiC涂層和SiC復(fù)合涂層是碳/碳復(fù)合材料抗氧化涂層的首 選材料。但是目前開發(fā)出來的SiC涂層和SiC復(fù)合涂層的防氧化效果遠(yuǎn)不及理論值，其主 要原因在于沒有很好的解決好涂層的結(jié)構(gòu)問題。如申請?zhí)枮?00910310354. 5，公布號為 CN101717992A，發(fā)明名稱為一種CZ硅晶體生長爐碳一碳復(fù)合材料導(dǎo)流筒及其制備方法公 開了一種對導(dǎo)流筒進(jìn)行表面抗氧化抗沖蝕涂層處理，導(dǎo)流筒表面設(shè)有碳化硅涂層。由于碳/ 碳復(fù)合材料基體和SiC熱膨脹系數(shù)不匹配，所制備的SiC涂層與碳/碳復(fù)合材料基體的結(jié) 合性較差，容易脫落，開裂，沒有很好的解決導(dǎo)流筒抗氣流沖刷能力的問題。同時(shí)，采用碳/碳復(fù)合材料整體制備導(dǎo)流筒，在預(yù)制體制作時(shí)，其法蘭的成形有一 定的難度，且因要考慮整體導(dǎo)流筒預(yù)制體的后續(xù)熱加工過程中的變形因素，往往將整體導(dǎo) 流筒預(yù)制體的法蘭做得較厚，增加了加工難度，耗材也較多。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種涂層抗氧化性好的導(dǎo)流筒抗氧化涂層，特別是提供 一種在導(dǎo)流筒基體上原位生長一層碳化硅晶須過渡層為抗氧化涂層。本實(shí)用新型是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的的，一種導(dǎo)流筒抗氧化涂層，它 包括由碳/碳復(fù)合材料制備的基體，基體的表面設(shè)有由原位生長的碳化硅晶須組成的過渡層。本實(shí)用新型為進(jìn)一步提高涂層的抗氧化能力，過渡層上設(shè)有由致密碳化硅組成的表層。本實(shí)用新型為加工方便，所述的基體包括筒體、法蘭，筒體、法蘭通過連接件連接。本實(shí)用新型所述的連接件為用碳/碳復(fù)合材料制成的螺釘或螺栓或螺柱或銷釘 中的一種。由于采用上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型較好的實(shí)現(xiàn)了發(fā)明目的，導(dǎo)流筒基體加工方 便，在導(dǎo)流筒基體上原位生長一層碳化硅晶須，再制備致密的碳化硅外層，從而在基體和致 密的碳化硅表層之間形成SiCw過渡層，其熱膨脹系數(shù)介于基體和碳化硅之間，可以有效降 低由于熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的熱應(yīng)力，同時(shí)，利用碳化硅晶須的拔出橋連與裂紋轉(zhuǎn)向機(jī) 制降低涂層中的裂紋尺寸和數(shù)量，有利于大幅度提高碳化硅涂層的抗氧化性能和抗熱震性 能，而且整個(gè)制備過程可以通過化學(xué)氣相沉積連續(xù)完成，大大簡化了涂層的制備過程，提高 了導(dǎo)流筒的的綜合性能。

圖1是本實(shí)用新型導(dǎo)流筒的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型在導(dǎo)流筒基體表面制備有由碳化硅晶須組成的過渡層的結(jié)構(gòu) 示意圖；圖3是本實(shí)用新型在導(dǎo)流筒基體表面原位生長的碳化硅晶須的表面掃描電鏡照 片；圖4是本實(shí)用新型在導(dǎo)流筒基體表面原位生長的碳化硅晶須的X-Ray衍射圖譜；圖5是本實(shí)用新型在導(dǎo)流筒基體表面原位生長的碳化硅晶須的截面掃描電鏡照 片；圖6是圖1的A處放大示意圖；圖7是本實(shí)用新型在導(dǎo)流筒基體表面制備有過渡層及表層時(shí)，表層的表面掃描電 鏡照片；圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例6 (曲線II)、實(shí)施例8 (曲線III)、實(shí)施例2 (曲線IV)、實(shí) 施例10 (曲線V)與傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積法制備的SiC涂層試樣(曲線I )在1100°C空氣中等 溫氧化失重曲線；圖9是本實(shí)用新型實(shí)施例6 (曲線II)、實(shí)施例8 (曲線III)、實(shí)施例2 (曲線IV)、實(shí) 施例10 (曲線V)與傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積法制備的SiC涂層試樣(曲線I )空氣中經(jīng)歷15次 IlOO0C x;3min— —室溫X!Bmin熱循環(huán)的氧化失重曲線。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1 由圖1、圖2可知，一種導(dǎo)流筒抗氧化涂層，它包括由碳/碳復(fù)合材料制備的基體， 基體的表面設(shè)有由原位生長的碳化硅晶須組成的過渡層2。一種如上所述導(dǎo)流筒抗氧化涂層的制備方法，它包括以下步驟⑴備料將導(dǎo)流筒基體打磨、拋光，洗滌干凈后烘干備用；⑵催化劑制備配制催化劑的前驅(qū)體醇水溶液，使溶液中Ni2+ Al3+= (5 15): (1 3)(本實(shí)施例為Ni2+ :A13+=5:1),乙醇的體積占溶液總體積的5% 20% (本實(shí)施例 為20%)，加入尿素水溶液，調(diào)節(jié)使Ni2+的濃度為(0. 05 0. 2)mol/L (本實(shí)施例為0. Imol/ L)，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝筠D(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中；⑶加載催化劑將步驟⑴所得基體放入反應(yīng)釜溶液中常壓浸漬證 12h (本實(shí)施 例為10 h)，然后將反應(yīng)釜浸入95°C 120°C (本實(shí)施例為Il(TC)的油浴中反應(yīng)Ih 池 (本實(shí)施例為池)，將反應(yīng)釜用冷水急冷至室溫后將基體1從中取出，在常溫下陰干后待用；⑷原位生長碳化硅晶須將步驟⑶所得基體放入化學(xué)氣相沉積爐中，抽真空 至0. lkPa，通入氬氣，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行升溫，沉積溫度為950°C 1250°C (本實(shí)施例為 1100°C)，在到達(dá)沉積溫度前IOmin 60min (本實(shí)施例為15min )關(guān)閉氬氣，通入氫氣對 催化劑進(jìn)行還原，氫氣流量為lOOmL/min 300mL/min (本實(shí)施例為200mL/min)，達(dá)到沉積 溫度后保溫IOmin 60min (本實(shí)施例為15min)，然后以氫氣作為載氣和稀釋氣體，流量比 為1 1，用鼓泡法將三氯甲基硅烷弓I入沉積爐中，盛裝三氯甲基硅烷的容器瓶置于恒溫水浴 中，水浴溫度18°C 25°C (本實(shí)施例為22°C)，沉積時(shí)間為Ih 50h (本實(shí)施例為他)，壓 力為常壓，在基體表面制備由原位生長的碳化硅晶須組成的過渡層2。實(shí)施例2 本實(shí)施例為方便加工，在步驟⑴中，所述的導(dǎo)流筒基體包括筒體1、法蘭4，筒體1、 法蘭4通過連接件5連接。所述的連接件5為用碳/碳復(fù)合材料制成的螺釘或螺栓或螺柱 或銷釘中的一種，本實(shí)施例為用碳/碳復(fù)合材料制成的銷釘。余同實(shí)施例1。[0032]由圖3可知，本實(shí)用新型制備的碳化硅晶須在導(dǎo)流筒基體表面分布均勻。由圖4可知，本實(shí)用新型在導(dǎo)流筒基體表面原位生長的碳化硅晶須為β -SiCw。由圖5可知，導(dǎo)流筒基體的截面掃描電鏡照片說明碳化硅晶須過渡層2多孔且沿 碳/碳復(fù)合材料基體的方向逐漸致密，這說明過渡層2與基體結(jié)合很好，同時(shí)，過渡層2表 面多孔，再在其上設(shè)有由致密碳化硅組成的表層時(shí)，有利于緩解涂層內(nèi)部的熱應(yīng)力，避免涂 層開裂和脫落。實(shí)施例3 由圖6可知，本實(shí)用新型為進(jìn)一步提高涂層的抗氧化能力，在過渡層2上設(shè)有由致 密碳化硅組成的表層3。其制備工藝為在步驟⑷中，沉積時(shí)間為池。步驟⑷完后，將稀釋氣體改換成氬氣，載氣為氫氣，并調(diào)整稀釋氣體流量與載氣流 量比為2 :1，沉積溫度為950°C 1250°C (本實(shí)施例為1100°C )，沉積時(shí)間為Ih 50h (本實(shí)施例為4h)，壓力為常壓。在由原位生長碳化硅晶須組成的過渡層2上制備由致密碳化硅 組成的表層3。由圖7可知，致密碳化硅表層3致密、平整，伴隨有少量小的裂紋，但是沒有明顯的 孔洞，說明致密碳化硅表層3是在碳化硅晶須過渡層2表面均勻形成的，兩層之間有很好的 相容性。余同實(shí)施例1。實(shí)施例4:本實(shí)施例為方便加工，在步驟⑴中，所述的基體包括筒體1、法蘭4，筒體1、法蘭4 通過連接件5連接。所述的連接件5為用碳/碳復(fù)合材料制成的螺釘或螺栓或螺柱或銷釘 中的一種，本實(shí)施例為用碳/碳復(fù)合材料制成的銷釘。余同實(shí)施例1、實(shí)施例3。實(shí)施例5 在步驟⑷中，沉積時(shí)間為池，制備表層3時(shí)，沉積時(shí)間為池。余同實(shí)施例1、實(shí)施例3。實(shí)施例6 本實(shí)施例為方便加工，在步驟⑴中，所述的基體包括筒體1、法蘭4，筒體1、法蘭4 通過連接件5連接。所述的連接件5為用碳/碳復(fù)合材料制成的螺釘或螺栓或螺柱或銷釘 中的一種，本實(shí)施例為用碳/碳復(fù)合材料制成的銷釘。在步驟⑷中，沉積時(shí)間為池，制備表層3時(shí)，沉積時(shí)間為池。余同實(shí)施例1、實(shí)施例3。實(shí)施例7:在步驟⑷中，沉積時(shí)間為證，制備表層3時(shí)，沉積時(shí)間為Ih。余同實(shí)施例1、實(shí)施例3。實(shí)施例8 本實(shí)施例為方便加工，在步驟⑴中，所述的基體包括筒體1、法蘭4，筒體1、法蘭4 通過連接件5連接。所述的連接件5為用碳/碳復(fù)合材料制成的螺釘或螺栓或螺柱或銷釘 中的一種，本實(shí)施例為用碳/碳復(fù)合材料制成的銷釘。在步驟⑷中，沉積時(shí)間為5h，制備表層3時(shí)，沉積時(shí)間為Ih。余同實(shí)施例1、實(shí)施例3。由圖8可知，傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積法制備的SiC涂層試樣的抗氧化能力最差，IlOO0C 空氣中氧化IOh失重率為41. 11%，圖8中曲線I所示。本實(shí)用新型制備的四個(gè)實(shí)施例涂層試樣1100°C空氣中氧化IOh失重率分別為 8. 87% (實(shí)施例4，曲線II所示)、5. 50% (實(shí)施例6，曲線III所示)、2. 07% (實(shí)施例2，曲線IV 所示)和0. 87% (實(shí)施例8，曲線V所示)，其平均失重率為4. 33%。由圖9可知，傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積法制備的SiC涂層試樣的抗熱震性能最差， IlOO0C x;3min——室溫x;3min 15次熱循環(huán)后失重率為33. 17%，圖9中曲線I所示。而本實(shí)用新型制備的四個(gè)實(shí)施例涂層試樣失重率分別為11. 09%(實(shí)施例4，曲線 II所示)，5.66% (實(shí)施例6，曲線III所示)，0.51% (實(shí)施例2，曲線IV所示)和0. 22% (實(shí)施 例8，曲線V所示)。[0062]為了便于比較本實(shí)用新型制備的涂層與傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積法制備的SiC涂層在 抗氧化性能和抗熱震性能方面的差異，本實(shí)用新型所有實(shí)施例中涂層的沉積時(shí)間相同，即 原位生長碳化硅晶須的沉積時(shí)間或原位生長碳化硅晶須的沉積時(shí)間與致密SiC涂層沉積 時(shí)間之和均為Ml。碳化硅晶須是一種直徑為納米級至微米級的單晶纖維，具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈 性模量及密度低、耐腐蝕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗高溫氧化能力強(qiáng)等優(yōu)良特性。本實(shí)用新型通過 在由碳/碳復(fù)合材料制備導(dǎo)流筒的表面制備原位生長SiCw涂層以及SiCw增韌的SiCw-SiC 涂層，涂層的抗氧化性和抗熱震性能比傳統(tǒng)方法制備的SiC涂層大幅度提高，并且實(shí)現(xiàn)了 常壓下連續(xù)化的涂層制備，相對于其它采用多種原料、多種方法制備涂層的技術(shù)，大大簡化 了涂層的制備過程，大大提高了導(dǎo)流筒的的綜合性能，有助于涂層的推廣使用。
權(quán)利要求1.一種導(dǎo)流筒抗氧化涂層，它包括由碳/碳復(fù)合材料制備的基體，其特征是基體的表 面設(shè)有由原位生長的碳化硅晶須組成的過渡層(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)流筒抗氧化涂層，其特征是過渡層(2)上設(shè)有由致密碳化 硅組成的表層(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的導(dǎo)流筒抗氧化涂層，其特征是所述的基體包括筒體(1)、 法蘭(4)，筒體(1)、法蘭(4)通過連接件(5)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的導(dǎo)流筒抗氧化涂層，其特征是所述的連接件(5)為用碳/碳 復(fù)合材料制成的螺釘或螺栓或螺柱或銷釘中的一種。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種工藝簡單，涂層抗氧化性好的導(dǎo)流筒抗氧化涂層，它包括由碳/碳復(fù)合材料制備的基體，其特征是基體的表面設(shè)有由原位生長的碳化硅晶須組成的過渡層(2)，本實(shí)用新型導(dǎo)流筒基體加工方便，在導(dǎo)流筒基體上原位生長一層碳化硅晶須，利用碳化硅晶須的拔出橋連與裂紋轉(zhuǎn)向機(jī)制降低涂層中的裂紋尺寸和數(shù)量，有利于大幅度提高碳化硅涂層的抗氧化性能和抗熱震性能，而且整個(gè)制備過程可以通過化學(xué)氣相沉積連續(xù)完成，大大簡化了涂層的制備過程，提高了導(dǎo)流筒的的綜合性能。
文檔編號C30B15/14GK201933200SQ201120005359
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月10日
發(fā)明者廖寄喬, 李軍, 王躍軍, 邰衛(wèi)平 申請人:湖南金博復(fù)合材料科技有限公司