[發(fā)明專利]一種流化床制備TiN、TiC、TiCN涂層的系統(tǒng)及方法有效

申請?zhí)枺?/td>	201810457652.6	申請日：	2018-05-14
公開（公告）號：	CN110158050B	公開（公告）日：	2020-07-17
發(fā)明（設計）人：	朱慶山;宋淼;向茂喬	申請（專利權）人：	中國科學院過程工程研究所
主分類號：	C23C16/30	分類號：	C23C16/30;C23C16/32;C23C16/34;C23C16/448
代理公司：	北京方安思達知識產(chǎn)權代理有限公司 11472	代理人：	陳琳琳;張紅生
地址：	100190 ***	國省代碼：	北京;11
權利要求書：	查看更多	說明書：	查看更多
摘要：
搜索關鍵詞：	一種流化床制備 tin tic ticn 涂層系統(tǒng) 方法
鉆瓜網(wǎng) 技術展會專利詞庫專利權人專利榜在售專利公布日期熱門專利

【說明書】：

本發(fā)明公開了一種流化床制備TiN、TiC、TiCN涂層的系統(tǒng)及方法。在預反應流化床內含鈦粉體原料經(jīng)過預處理后并轉移到沉積流化床內，隨后在沉積流化床內的基體上均勻沉積TiN、TiC、TiCN涂層。本發(fā)明制備TiN、TiC、TiCN涂層具有以下優(yōu)勢：(1)由于流化床工藝良好的傳熱、傳質特性，實現(xiàn)了預處理過程的定向還原和精確控制，高效地獲得了有效前驅體；(2)顯著降低了以價格低廉的TiCl₄為原料制備TiN、TiC、TiCN涂層的溫度，并提高了原料利用率；(3)涂層基體形狀不受限制，特別適用于在復雜形狀的零件上均勻包覆TiN、TiC、TiCN涂層；(4)工藝簡單、設備經(jīng)濟可以實現(xiàn)大規(guī)模批量化制備TiN、TiC、TiCN涂層，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

技術領域

本發(fā)明屬于化工、材料領域，特別涉及一種制備TiN、TiC、TiCN涂層的系統(tǒng)及方法。

背景技術

TiN、TiC、TiCN涂層具有硬度高、耐磨性好、化學穩(wěn)定性好的優(yōu)點，同時具有較好的導電性和超導性，在結構材料、功能材料、超導材料領域中有著廣泛的應用前景。目前，制備TiN、TiC、TiCN涂層方法主要包括以下兩大類：

(1)外加法，如熱噴涂、激光熔覆等。例如，中國專利CN1055308A公開了一種熱噴涂制備氮化鈦涂層的方法，即采用氮氣作為推進氣體，鈦金屬作為原材料，使金屬霧化并在基底上形成TiN涂層。該工藝制備的涂層與基底結合力較差，且難以包覆形狀復雜的工件。中國專利CN101812684 B公開了一種用TiO₂和石墨粉為原料，先用濕化學法在基底表面均勻涂覆原料，之后用激光加熱，通過碳熱還原反應生成TiC涂層。盡管該工藝制備的涂層與基底之間形成了冶金結合提高了涂層的結合力，但是涂層雜質含量高。外加法由于其本身的缺點，且涂層形貌很難控制，難以在工業(yè)中大規(guī)模的應用。

(2)內生法，如物理氣相沉積，化學氣相沉積。中國專利CN 106884142 A公開了一種物理濺射法沉積TiN薄膜，主要創(chuàng)新在于將基底加熱，提高了涂層結合力、致密性等性能。物理氣相沉積方法所需設備成本高，需高真空環(huán)境，難以包覆形狀復雜的基體。此外，原料成本高，通常需要價格昂貴的高純鈦靶材。因此，物理氣相沉積工藝難以滿足工業(yè)中低成本、高效率的要求。化學氣相沉積法是通過氣態(tài)物質的化學反應生成固態(tài)涂層的方法。由于氣態(tài)物質流動性好，容易擴散，非常適合于包覆形狀復雜的零件。例如，德國的研究者(Surface and Coatings Technology,2011,205(23-24):5454-5463.)在900℃的低壓氣氛爐中，采用TiCl₄、N₂、H₂原料在低碳鋼基體上沉積了抗腐蝕能優(yōu)異的TiN涂層。瑞典研究者(Thin Solid Films,1977,40:81-88)在1020℃氣氛爐中，采用TiCl₄、CH₄、H₂原料制備了TiC涂層。由于TiCl₄本身化學性質穩(wěn)定，因此基于TiCl₄的常壓化學氣相沉積溫度很高(至少1000℃)，遠超過一般金屬基體能承受的熱處理溫度或相變溫度，顯著惡化了基體材料的力學性能，同時，TiCl₄被氮化或(或)碳化下率較低。為降低沉積溫度和提高氮化或(和)碳化效率，中國專利CN 203346470 U公開了一種新型熱絲化學氣相沉積的方法，先將TiCl₄、CH₄等流經(jīng)1600℃的鎢絲，將反應物激活，隨后在溫度為600℃的基底上沉積TiC涂層。該工藝存在的主要問題是整個反應器對溫度梯度的要求非常高，而溫度梯度很難控制，尤其是對于大型零件。此外，該工藝能耗高、安全性較低。加拿大的研究者(Material andManufacturing Process,1991,6(4):671-681.)提出了一種用采用HCl與鈦金屬片生成的TiCl₃前驅體制備TiN涂層的工藝。該工藝由于HCl與鈦反應速率較低，同時金屬鈦片的比表面積較小，造成制備TiCl₃前驅體的效率低下，且HCl具有較強的腐蝕性，難以滿足工業(yè)中實際應用。此外，由于TiCl₃歧化反應溫度較高、歧化成鈦金屬的效率較低，造成鈦源的浪費。這些缺點導致該工藝至今未能實現(xiàn)工業(yè)化。最近，德國和希臘的研究者(Surface andCoatings Technology,64(1994)119-125；Surfaceand Coatings Technology78(1996)72-77)在流化床中采用Al₂O₃或者SiO₂、FeTi、NH₄Cl、NH₄I、C為原料以及Ar為流化氣制備TiC涂層。該方法盡管提出了易于工業(yè)化的流化床制備TiC涂層，但是工藝中副產(chǎn)物較多，涂層中含有Al、Fe、TiO_x、TiN_x等雜質，導致制備的涂層質量較低。