[发明专利]一种流态化制备ZrC、ZrN包覆层的系统及方法

说明书

本发明公开了一种流态化制备ZrC、ZrN包覆层的系统及方法。锆源粉体在流化床中经过预处理后，被转移到包覆反应器中，在氮源气体或者碳源气体中经过低温包覆，能在各种形状的基体或粉体材料上制备出致密的ZrC、ZrN包覆层。以传统工艺相比，本发明具有沉积温度低，显著扩展了包覆材料的种类，并且生产成本低，环境友好，特别适合工业中大规模批量化生产ZrN或ZrC包覆层，具有良好的经济效益和社会效益。

技术领域

本发明属于化工、材料领域，特别涉及一种制备ZrC、ZrN包覆涂层的系统和方法。

背景技术

碳化锆和氮化锆同时具有金属键、离子键、共价键，呈现出优异的热化学稳定性，良好的抗烧蚀性、抗热震性和抗高速气流(粒子流)冲刷性，在航空航天等领域中的关键零部件起着不可取代的作用。然而，这种高熔点、高硬度的特性导致碳化锆和氮化锆材料很难加工和成型，因此通常在关键零部件上包覆一层碳化锆和氮化锆来承担防护作用。这种涂层包覆方法既能够减少环境污染，又能节约资源创造经济效益。目前，制备碳化锆和氮化锆包覆层的方法主要有以下两大类：

(1)物理气相包覆法，包括磁控溅射沉积、脉冲激光沉积、电子束物理气相沉积等方法。其中磁控溅射沉积，即在惰性Ar气氛下，通过磁控溅射(直流反应磁控溅射、脉冲磁控溅射、射频磁控溅射、微波-等离子体增强磁控溅射、交流反应磁控溅射)，Ar离子轰击纯锆靶材，并通入氮源(氨气、氮气)或碳源(甲烷)，溅射出的锆离子和电离得到的氮离子或碳离子沉积到基片上从而得到ZrN或者ZrC涂层。脉冲激光沉积，即将高能激光聚焦在高纯锆靶材表面，使其表面产生高温和熔池，并进一步产生高温高压的等离子体，这种等离子体定向局部膨胀喷射在基体表面形成ZrN或者ZrC涂层(Surface and Coatings Technology，1999，116：1189，脉冲激光薄膜制备技术，真空与低温，2000，6：63)。电子束物理气相沉积，即首先将ZrN或者ZrC的细粉和粗粉按照一定比例混合制备成ZrN或ZrC的陶瓷棒，作为蒸发源，然后用电子束轰击陶瓷棒使其蒸发，并沉积在基体上。尽管这些方法都能制备出ZrC或ZrN的涂层，但是这些方法都需要采用高纯的锆靶材作为原料，成本非常昂贵。同时，这些工艺设备成本也非常高，且难以在复杂形状的大尺寸基体上包覆ZrN或者ZrC保护层。因此，这些昂贵的工艺在工业中的广泛应用受到极大的限制。