[發(fā)明專利]中溫化學(xué)氣相沉積氮化鈦涂層的裝置及方法

在審

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• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號: CN113046723A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱權(quán);李象遠
• 申請（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號: C23C16/34
• 分類號: C23C16/34;C23C16/44
• 代理公司: 成都瑞創(chuàng)華盛知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 51270
• 代理人: 鄧瑞;辜強

本發(fā)明公開了中溫化學(xué)氣相沉積氮化鈦涂層的裝置，包括氨氣輸送裝置、四氯化鈦輸送裝置、反應(yīng)器以及反應(yīng)器加熱裝置，所述氨氣輸送裝置與反應(yīng)器連接，所述四氯化鈦輸送裝置通過連接管與反應(yīng)器連接，所述連接管設(shè)有加熱器，所述反應(yīng)器內(nèi)放置目標樣件；所述氨氣輸送裝置向反應(yīng)器輸送氨氣，所述四氯化鈦輸送裝置向反應(yīng)器輸送四氯化鈦，所述反應(yīng)器加熱裝置對反應(yīng)器進行加熱，所述反應(yīng)器內(nèi)以氨氣和四氯化鈦對目標樣件進行沉積反應(yīng)。本發(fā)明還公開了中溫化學(xué)氣相沉積氮化鈦涂層的方法，以TiCl₄蒸汽及氨氣在500℃及以上溫度下實現(xiàn)了TiN涂層的制備，解決TiN涂層化學(xué)氣相沉積工藝溫度過高的問題，采用常壓條件，提高了沉積工藝的可靠性和可重復(fù)性，降低了成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料表面處理及涂層制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是中溫化學(xué)氣相沉積氮化鈦涂層的裝置及方法。

背景技術(shù)

在將來空天飛行器的高速飛行中，需要通過主動冷卻方案解決發(fā)動機的熱管理問題，即，在燃料進入燃燒室前，首先在發(fā)動機的壁面流動，通過物理升溫和化學(xué)裂解反應(yīng)吸收發(fā)動機產(chǎn)生的廢熱。為了達到有效換熱和充分冷卻，需要燃料流經(jīng)的冷卻管道內(nèi)足夠細，長度足夠長，以確保燃料的溫升足夠高。在此過程中，燃料一方面發(fā)生高溫裂解反應(yīng)，一方面發(fā)生結(jié)焦積碳反應(yīng)，尤其是基體材料的表面催化結(jié)焦，嚴重時可堵塞整個油路，帶來安全隱患。

研究表明，一般的Fe基，Ni基等基體材料對燃料的結(jié)焦積碳具有較強的催化作用，會導(dǎo)致高溫條件下的積碳大量生成。為抑制基體表面的金屬催化結(jié)焦，國內(nèi)外研究者進行了大量的研究工作。目前，抑制金屬催化結(jié)焦的方法主要有四種：一是在線處理，即將基體表面清焦后，采用硫化氫、有機硫化物和有機磷化物中的一種或幾種對基體表面進行預(yù)處理；二是氣氛處理，主要是對基體進行表面處理，以降低基體表面的鐵、鎳含量來抑制金屬催化結(jié)焦；三是在基體表面形成金屬合金層；四是在基體表面形成無機涂層。其中，在線處理需要在每次清焦后重新處理，工序較多，不利于工業(yè)應(yīng)用；氣氛處理方式則在基體表面形成的合金層較薄，容易破裂；合金層在經(jīng)過工業(yè)試用后發(fā)現(xiàn)其抑制結(jié)焦作用不明顯。因此，抑制金屬催化結(jié)焦較為簡便有效的方法是表面涂層技術(shù)，眾多涂層中，TiN具有良好的抑制結(jié)焦性能。

目前，常用的TiN涂層制備技術(shù)主要有物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、溶膠-凝膠、熱噴涂技術(shù)、電化學(xué)涂層等。這些工藝在工業(yè)中已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用，如物理氣相沉積在生物材料的制備，化學(xué)氣相沉積在硬質(zhì)合金刀具的處理，溶膠凝膠法在催化劑的生產(chǎn)，電化學(xué)涂層在表面拋光等方面都得到了很好的應(yīng)用。但考慮到針對長程(0.1-1m)，微通道(內(nèi)徑2-4mm)的內(nèi)壁涂層處理，化學(xué)氣相沉積方法最有可能成為解決問題的方案。

TiN涂層的化學(xué)氣相沉積工藝多采用N₂-TiCl₄-H₂體系，而達到合格的抑制結(jié)焦效果的涂層的制備溫度至少要達到850℃。此溫度條件下，目前使用的基體金屬材料都會發(fā)生塑性變形以及力學(xué)性能的改變，這極大的限制了涂層的應(yīng)用。

因此，開發(fā)出更低溫度的TiN涂層的化學(xué)氣相沉積方法，對于涂層的應(yīng)用，解決金屬催化結(jié)焦問題，保護基體不受到熱損傷都具有很大的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供中溫化學(xué)氣相沉積氮化鈦涂層的裝置及方法，在500℃及以上溫度下實現(xiàn)了TiN涂層的制備，解決TiN涂層化學(xué)氣相沉積工藝溫度過高的問題。

本發(fā)明的基本原理在于，利用如下的表面化學(xué)反應(yīng)：

6TiCl₄(g)+8NH₃(g)＝6TiN(s)+N₂(g)+24HCl(g)(≥500℃)

實現(xiàn)在目標樣件表面以化學(xué)氣相沉積生成TiN涂層。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：