RU2601049C1 - Способ нанесения газоплотного покрытия из карбида кремния - Google Patents
Способ нанесения газоплотного покрытия из карбида кремния Download PDFInfo
- Publication number
- RU2601049C1 RU2601049C1 RU2015116407/02A RU2015116407A RU2601049C1 RU 2601049 C1 RU2601049 C1 RU 2601049C1 RU 2015116407/02 A RU2015116407/02 A RU 2015116407/02A RU 2015116407 A RU2015116407 A RU 2015116407A RU 2601049 C1 RU2601049 C1 RU 2601049C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- silicon carbide
- coating
- gas
- tight
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
- C23C16/42—Silicides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
- C23C16/448—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for generating reactive gas streams, e.g. by evaporation or sublimation of precursor materials
Abstract
Изобретение относится к области термозащитных и антиокислительных покрытий, и может быть использовано для повышения химической инертности и температуры эксплуатации материалов, используемых в авиакосмической промышленности, топливо-энергетическом комплексе и др. Способ нанесения газоплотного покрытия из карбида кремния на деталь из высокотемпературного материала включает размещение упомянутой детали в тепловой зоне печи и подачу к поверхности упомянутой детали газообразных кремнийсодержащего и углеродсодержащего компонентов. Газообразный кремнийсодержащий компонент получают с использованием источника паров кремния, в качестве которого используют расплав кремния, который размещают в тигле в тепловой зоне печи. В качестве углеродсодержащего компонента используют газообразные углеводороды. Обеспечивается уменьшение стоимости и сокращение времени технологического процесса получения покрытий из газоплотного карбида кремния, повышение термоокислительной стойкости защищаемых материалов, увеличение адгезии покрытия из карбида кремния, увеличение термоокислительной прочности покрываемых деталей из различных высокотемпературных материалов. 1 табл., 8 ил.
Description
Изобретение относится к области высокотемпературных, коррозионностойких материалов, а именно термозащитных и антиокислительных покрытий, и может быть использовано для повышения химической инертности и температуры эксплуатации материалов (композиционные материалы на основе карбида кремния (SiC), углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ), высокотемпературные сплавы, тугоплавкие металлы и др.), используемых в авиакосмической промышленности, топливо-энергетическом комплексе и др.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ осаждения из газовой (паровой) фазы (CVD). Так известен способ изготовления покрытий из карбида кремния заданного состава и свойств (US 2014356549, A1 опубл. 04.01.2014). Способ заключается в осаждении покрытия из карбида кремния на материале путем подачи к поверхности материала газообразных кремнийсодержащих и углеродсодержащих компонентов, в качестве которых используются органические прекурсоры. Данный способ позволяет получать на поверхности материалов газоплотные покрытия из карбида кремния с высокими защитными свойствами и однородностью.
Недостатком данного способа является малая производительность, высокая стоимость компонентов (реагентов) и затраты на производство за счет большой продолжительности процесса нанесения покрытия путем химического осаждения из газовой фазы.
Изобретение направлено на упрощение технологического процесса нанесения газоплотного покрытия из карбида кремния на поверхность материалов, уменьшение стоимости, сокращение времени процесса нанесения покрытий.
Технический результат состоит в уменьшении стоимости и сокращении времени технологического процесса получения покрытий газоплотного карбида кремния, повышении термоокислительной стойкости защищаемых материалов, увеличении адгезии покрытия из карбида кремния с материалом, на который оно наносится, увеличении термоокислительной прочности покрываемых деталей из различных высокотемпературных материалов (УУКМ, композиционный материал SiC-Si или SiC-C-Si, графит, металл, металлический сплав и т.д.).
Технический результат достигается за счет того, что способ нанесения газоплотного покрытия из карбида кремния заключается в осаждении покрытия из карбида кремния на установленном в тепловой зоне печи материале путем подачи к поверхности материала газообразных кремнийсодержащего и углеродсодержащего компонентов, в качестве кремнийсодержащего компонента используются пары кремния из расплава кремния, расположенного в тигле в тепловой зоне печи, в качестве углеродсодержащего компонента используются газообразные углеводороды.
Технический результат достигается также за счет того, что в способе нанесения газоплотного покрытия из карбида кремния в образовании покрытия участвует также расплав кремния, содержащийся в материале, на который наносится покрытие.
В заявляемом способе газоплотное покрытие из карбида кремния на материале формируется за счет прямого взаимодействия углерода, образующегося при высокотемпературном пиролитическом разложении молекул углеводорода (например, метана) с парами кремния, источником которого служит расплав кремния, размещенный в тепловой зоне печи и/или жидким кремнием, содержащимся в материале детали, на которую наносится покрытие. Использование паров и/или расплава кремния для проведения реакции образования карбида кремния на поверхности материала детали существенно упрощает конструкцию технологической зоны, сокращает время проведения процесса и снижает его себестоимость за счет более доступного и дешевого компонента по сравнению с кремнийсодержащими прекурсорами, используемыми в CVD процессах нанесения SiC покрытий. Адгезия защитного покрытия с поверхностью углерод-углеродного композиционного материала, композиционного материала SiC-Si или SiC-C-Si, графита и других углерод или кремнийсодержащих материалов при использовании предлагаемого способа существенно выше, т.к. процесс проводится при высокой температуре с частичным участием компонент, находящихся непосредственно в детали, на которую наносится покрытие. Также способ позволяет наносить SiC покрытия на металлы и металлические сплавы.
Реализация изобретения поясняется чертежами и примером реализации изобретения:
Фиг. 1. Схема установки для нанесения покрытий по заявляемому способу.
Фиг. 2. Защитное газоплотное SiC покрытие со средним размером кристаллитов ~80 нм на графите. Температура Т=1600°С, давление Р=4 мм рт.ст., скорость V=0,39 литр/мин.
Фиг. 3. Защитное газоплотное SiC покрытие со средним размером кристаллитов ~50 мкм на графите. Температура Т=1480°С, давление Р=2 мм рт.ст., скорость V=0,6 литров/мин.
Фиг. 4. Защитное газоплотное SiC покрытие на углерод-углеродном композиционном материале (УУКМ).
Фиг. 5. Защитное газоплотное SiC покрытие карбидокремниевой керамики с участием в качестве источника кремния остаточного кремния материала.
Фиг. 6. Микроструктура композиционного материала SiC-C-Si/50-40-10 без покрытия (а) и с газоплотным SiC покрытием (б) после отжига при 1000°С на воздухе в течение 60 часов.
Фиг. 7. Защитное газоплотное SiC покрытие на биоморфной керамике.
Фиг. 8. Защитное газоплотное SiC покрытие на молибденовом нагревателе.
Пример реализации изобретения
Для нанесения газоплотного покрытия из карбида кремния на материал 1 (графит) использовалась вакуумная высокотемпературная печь резистивного нагрева с графитовым нагревателем 2 и углеродной теплоизоляцией 3 (Фиг. 1). Печь готовили следующим образом: открыли тепловую зону печи 4, произвели загрузку кремния в тигель 5, расположенный в нижней части тепловой зоны на подставке 6. Над тиглем на высоте 100 мм разместили покрываемую деталь 1 из графита с помощью графитовой оснастки 7. Далее произвели закрытие тепловой зоны 4 углеродной теплоизоляцией 3, установку рассекателя на магистраль подачи углеводорода 8. В качестве углеводорода был использован метан. Далее печь вакуумировали с использованием форвакуумного насоса, провели нагревание тепловой зоны 4 печи до температуры 1600°С для получения расплава кремния, находящегося в тигле 5. После этого осуществили подачу метана в тепловую зону (давление Р=4 мм рт.ст., скорость V=0,39 литр/мин). Покрытие выращивалось со скоростью 100 мкм/час. Когда необходимая толщина покрытия была достигнута (30 мкм), прекратили подачу метана в камеру печи, в течение 1 часа снизили рабочую мощность нагревателя 2 до нуля. После этого была выключена система обеспечения вакуума 9, и после полного охлаждения печи последовала ее разгрузка. Увеличенное изображение структуры полученного покрытия с размером частиц карбида кремния 80 нм показано на Фиг. 2.
В зависимости от определенного сочетания температуры, времени протекания реакции, скорости потока газообразного углеводорода через камеру, степени его разложения, парциального давления углеводорода в зоне реакции можно получать нано- и микрокристаллические газонепроницаемые покрытия с разной структурой, регулируемым политипным составом и толщиной (от 300 нм до сотен микрон) с размером частиц карбида кремния от 50 нм до сотен микрон. Пример газоплотного SiC покрытия из кристаллитов размером несколько десятков микрон на графите показан на Фиг. 3. Температура, при котором наносилось покрытие составляла Т=1480°С, параметры подачи метана при этом составили: давление Р=2 мм рт.ст., скорость V=0,6 литров/мин.
На Фиг. 4 показан материал УУКМ с нанесенным по предлагаемому способу газоплотным покрытием из карбида кремния. Хорошая адгезия SiC покрытия к УУКМ достигалась за счет частичного участия углерода, находящегося в УУКМ. Использовались режимы для получения покрытия на графите с размером частиц карбида кремния 80 нм, приведенные в примере реализации изобретения. Также газоплотное покрытие из карбида кремния по предлагаемому способу может быть нанесено на материалы с содержанием остаточного кремния, такие как силицированные графиты и реакционносвязанные графиты (композиционные материалы SiC-C-Si) и реакционно-связанный карбид кремния (SiC-Si), биоморфную карбидокремниевую керамику для существенного повышения их термоокислительной стойкости. Участие свободного кремния, содержащегося в данных материалах, позволяет получать газоплотные покрытия с высокой адгезией к поверхности материала. На Фиг. 5 показана микроструктура композиционного материала SiC-C-Si/50-40-10% масс., с защитным карбидокремниевым покрытием, полученным с параметрами нанесения, приведенными в примере реализации. На Фиг. 6 приведены структуры данного материала без защитного покрытия (Фиг. 6а) и с SiC газоплотным покрытием (Фиг. 6б), после отжига на воздухе при температуре 1000°С в течение 60 часов. Видно, что структура материала без защитного покрытия сильно нарушена за счет выгорания углерода из керамики. Потеря веса детали без покрытия составила 36% вес. Вес детали с SiC покрытием не изменился.
На Фиг. 7 показана микроструктура газоплотного покрытия из карбида кремния по предлагаемому способу, нанесенного на биоморфную карбидокремниевую керамику, где в качестве углеродного компонента используется пиролизованная древесина (в данном случае - береза). Покрытие позволяет защитить от окисления остаточные углерод и кремний в объеме биоморфной керамики.
Нанесение SiC покрытия на композиционные SiC-C-Si также может улучшать механические характеристики материала за счет снижения вклада поверхностных дефектов при испытании образцов на изгиб, сжатие и растяжение. В таблице 1 представлены результаты испытаний деталей из карбидокремниевой керамики с карбидокремниевым покрытием.
Из таблицы следует, что показатели прочности изделий из карбидокремниевой керамики на сжатие и изгиб увеличены для изделий с нанесенным карбидокремниевым покрытием с частичным источником кремния, находящимся в структуре покрываемого материала.
Защитное газоплотное покрытие из карбида кремния по предлагаемому способу может быть нанесено также на металлы и металлические сплавы. На Фиг. 8 показана молибденовая пластина с SiC покрытием, которая использовалась в качестве нагревателя (контактные зоны нагревателя на краях не защищены покрытием), работающего в окислительной атмосфере при температуре 1500°С свыше 100 часов.
Claims (1)
- Способ нанесения газоплотного покрытия из карбида кремния на деталь из высокотемпературного материала, включающий размещение упомянутой детали в тепловой зоне печи и подачу к поверхности упомянутой детали газообразных кремнийсодержащего и углеродсодержащего компонентов, отличающийся тем, что газообразный кремнийсодержащий компонент получают с использованием источника паров кремния, в качестве которого используют расплав кремния, который размещают в тигле в тепловой зоне печи, а в качестве углеродсодержащего компонента используют газообразные углеводороды.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015116407/02A RU2601049C1 (ru) | 2015-04-29 | 2015-04-29 | Способ нанесения газоплотного покрытия из карбида кремния |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015116407/02A RU2601049C1 (ru) | 2015-04-29 | 2015-04-29 | Способ нанесения газоплотного покрытия из карбида кремния |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2601049C1 true RU2601049C1 (ru) | 2016-10-27 |
Family
ID=57216583
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015116407/02A RU2601049C1 (ru) | 2015-04-29 | 2015-04-29 | Способ нанесения газоплотного покрытия из карбида кремния |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2601049C1 (ru) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2684128C1 (ru) * | 2018-04-06 | 2019-04-04 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно технический центр "Новые технологии" | Изделие с покрытием из карбида кремния и способ изготовления изделия с покрытием из карбида кремния |
| RU2695423C1 (ru) * | 2018-02-26 | 2019-07-23 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно технический центр "Новые технологии" | Изделие из графита с модифицированным приповерхностным слоем и способ модификации поверхности изделия, имеющего основу из графита |
| WO2021034214A1 (ru) * | 2019-08-19 | 2021-02-25 | Генадий Викторович СВЯТЕЦ | Изделие с покрытием из карбида кремния и способ изготовления изделия с покрытием из карбида кремния |
| WO2021034215A1 (ru) * | 2019-08-19 | 2021-02-25 | СВЯТЕЦ, Генадий Викторович | Изделие из графита с модифицированным приповерхностным слоем и способ модификации поверхности изделия, имеющего основу из графита |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU310508A1 (ru) * | 1969-07-23 | 1975-01-25 | В. В. Конокотин, Г. А. Кравецкий, В. С. Дергунова , Н. П. Гусева | Способ защиты углеграфитовых материалов от окислени |
| US4194028A (en) * | 1977-08-31 | 1980-03-18 | Wacher-Chemitronic Gesellschaft fur Elektronik-Grundstoffe mbH | Process for applying a protective layer to shaped carbon bodies |
| RU2165999C2 (ru) * | 1991-01-30 | 2001-04-27 | Научно-исследовательский институт молекулярной электроники | Способ формирования защитных покрытий графитовых подложкодержателей и устройство для его осуществления |
| US20140302299A1 (en) * | 2007-06-19 | 2014-10-09 | Markisches Werk Gmbh | Thermally sprayed gastight protective layer for metal substrates |
-
2015
- 2015-04-29 RU RU2015116407/02A patent/RU2601049C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU310508A1 (ru) * | 1969-07-23 | 1975-01-25 | В. В. Конокотин, Г. А. Кравецкий, В. С. Дергунова , Н. П. Гусева | Способ защиты углеграфитовых материалов от окислени |
| US4194028A (en) * | 1977-08-31 | 1980-03-18 | Wacher-Chemitronic Gesellschaft fur Elektronik-Grundstoffe mbH | Process for applying a protective layer to shaped carbon bodies |
| RU2165999C2 (ru) * | 1991-01-30 | 2001-04-27 | Научно-исследовательский институт молекулярной электроники | Способ формирования защитных покрытий графитовых подложкодержателей и устройство для его осуществления |
| US20140302299A1 (en) * | 2007-06-19 | 2014-10-09 | Markisches Werk Gmbh | Thermally sprayed gastight protective layer for metal substrates |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2695423C1 (ru) * | 2018-02-26 | 2019-07-23 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно технический центр "Новые технологии" | Изделие из графита с модифицированным приповерхностным слоем и способ модификации поверхности изделия, имеющего основу из графита |
| RU2684128C1 (ru) * | 2018-04-06 | 2019-04-04 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно технический центр "Новые технологии" | Изделие с покрытием из карбида кремния и способ изготовления изделия с покрытием из карбида кремния |
| WO2021034214A1 (ru) * | 2019-08-19 | 2021-02-25 | Генадий Викторович СВЯТЕЦ | Изделие с покрытием из карбида кремния и способ изготовления изделия с покрытием из карбида кремния |
| WO2021034215A1 (ru) * | 2019-08-19 | 2021-02-25 | СВЯТЕЦ, Генадий Викторович | Изделие из графита с модифицированным приповерхностным слоем и способ модификации поверхности изделия, имеющего основу из графита |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2601049C1 (ru) | Способ нанесения газоплотного покрытия из карбида кремния | |
| Das et al. | Carbothermal synthesis of boron nitride coating on PAN carbon fiber | |
| RU2011105001A (ru) | Способ нанесения покрытия и антикоррозионное покрытие для компонентов турбин | |
| US5660880A (en) | Anti-oxidation protection of carbon-based materials | |
| CN109182996B (zh) | 钨合金涂层制备设备及方法 | |
| Wang et al. | Recovery in oxidation behavior of damaged SiCZrB2/SiC coating of carbon/carbon composites | |
| CN110022623B (zh) | 一种耐高温电热纤维的制备与应用 | |
| Zhang et al. | Preparation of Mg and Al phosphate coatings on ferritic steel by wet-chemical method as tritium permeation barrier | |
| CN114405797B (zh) | 一种基于液料等离子喷涂技术的石墨烯涂层及其喷涂工艺 | |
| CN110129746A (zh) | 用于金属零件表面的热化学处理的等离子处理和反应器 | |
| EP2933353A1 (en) | Use of silicon and carbon precursors for producing fiber-reinforced composites | |
| Grenadyorov et al. | Thermal stability of aC: H: SiOx thin films in hydrogen atmosphere | |
| RU2470857C1 (ru) | Способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала | |
| CN105503270B (zh) | 一种SiC涂层的制备方法 | |
| CN105705678A (zh) | Dlc覆膜的成膜方法 | |
| CN105130498A (zh) | 应用反应扩散法在碳材料表面制备碳化硅涂层的方法 | |
| RU2716323C1 (ru) | Способ защиты углеродсодержащих композиционных материалов крупногабаритных изделий от окисления | |
| Kohzaki et al. | Large-area diamond deposition and brazing of the diamond films on steel substrates for tribological applications | |
| CN104609892A (zh) | 外表沉积SiBCN涂层的莫来石纤维及其制备方法 | |
| RU2464250C1 (ru) | Способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала | |
| Nagasaka et al. | Tribological properties of polycrystalline diamond films prepared by hot-filament chemical vapor deposition methods | |
| Ye et al. | Deposition of Hexagonal Boron Nitride from N‐Trimethylborazine (TMB) for Continuous CVD Coating of SiBNC Fibers | |
| JP4911451B2 (ja) | 鉄を主成分として含む金属材料の表面改質方法 | |
| RU2675618C1 (ru) | Способ нанесения окислительностойких и ультравысокотемпературных покрытий из диборидов титана, циркония и гафния на композиционные материалы | |
| RU2484013C2 (ru) | Способ изготовления изделий из композиционного материала |