[发明专利]中温化学气相沉积氮化钛涂层的装置及方法

说明书

本发明公开了中温化学气相沉积氮化钛涂层的装置，包括氨气输送装置、四氯化钛输送装置、反应器以及反应器加热装置，所述氨气输送装置与反应器连接，所述四氯化钛输送装置通过连接管与反应器连接，所述连接管设有加热器，所述反应器内放置目标样件；所述氨气输送装置向反应器输送氨气，所述四氯化钛输送装置向反应器输送四氯化钛，所述反应器加热装置对反应器进行加热，所述反应器内以氨气和四氯化钛对目标样件进行沉积反应。本发明还公开了中温化学气相沉积氮化钛涂层的方法，以TiCl₄蒸汽及氨气在500℃及以上温度下实现了TiN涂层的制备，解决TiN涂层化学气相沉积工艺温度过高的问题，采用常压条件，提高了沉积工艺的可靠性和可重复性，降低了成本。

技术领域

本发明涉及材料表面处理及涂层制备技术领域，特别是中温化学气相沉积氮化钛涂层的装置及方法。

背景技术

在将来空天飞行器的高速飞行中，需要通过主动冷却方案解决发动机的热管理问题，即，在燃料进入燃烧室前，首先在发动机的壁面流动，通过物理升温和化学裂解反应吸收发动机产生的废热。为了达到有效换热和充分冷却，需要燃料流经的冷却管道内足够细，长度足够长，以确保燃料的温升足够高。在此过程中，燃料一方面发生高温裂解反应，一方面发生结焦积碳反应，尤其是基体材料的表面催化结焦，严重时可堵塞整个油路，带来安全隐患。

研究表明，一般的Fe基，Ni基等基体材料对燃料的结焦积碳具有较强的催化作用，会导致高温条件下的积碳大量生成。为抑制基体表面的金属催化结焦，国内外研究者进行了大量的研究工作。目前，抑制金属催化结焦的方法主要有四种：一是在线处理，即将基体表面清焦后，采用硫化氢、有机硫化物和有机磷化物中的一种或几种对基体表面进行预处理；二是气氛处理，主要是对基体进行表面处理，以降低基体表面的铁、镍含量来抑制金属催化结焦；三是在基体表面形成金属合金层；四是在基体表面形成无机涂层。其中，在线处理需要在每次清焦后重新处理，工序较多，不利于工业应用；气氛处理方式则在基体表面形成的合金层较薄，容易破裂；合金层在经过工业试用后发现其抑制结焦作用不明显。因此，抑制金属催化结焦较为简便有效的方法是表面涂层技术，众多涂层中，TiN具有良好的抑制结焦性能。

目前，常用的TiN涂层制备技术主要有物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶、热喷涂技术、电化学涂层等。这些工艺在工业中已经得到了很好的应用，如物理气相沉积在生物材料的制备，化学气相沉积在硬质合金刀具的处理，溶胶凝胶法在催化剂的生产，电化学涂层在表面抛光等方面都得到了很好的应用。但考虑到针对长程(0.1-1m)，微通道(内径2-4mm)的内壁涂层处理，化学气相沉积方法最有可能成为解决问题的方案。

TiN涂层的化学气相沉积工艺多采用N₂-TiCl₄-H₂体系，而达到合格的抑制结焦效果的涂层的制备温度至少要达到850℃。此温度条件下，目前使用的基体金属材料都会发生塑性变形以及力学性能的改变，这极大的限制了涂层的应用。

因此，开发出更低温度的TiN涂层的化学气相沉积方法，对于涂层的应用，解决金属催化结焦问题，保护基体不受到热损伤都具有很大的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供中温化学气相沉积氮化钛涂层的装置及方法，在500℃及以上温度下实现了TiN涂层的制备，解决TiN涂层化学气相沉积工艺温度过高的问题。

本发明的基本原理在于，利用如下的表面化学反应：

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

实现在目标样件表面以化学气相沉积生成TiN涂层。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：