CN113637953A - 一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置及使用方法 - Google Patents

一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置及使用方法，涉及无机非金属材料装备领域，包括：炉体；保温层，保温层设置于炉体内部，保温层包括侧保温板、顶部保温板和底部保温板；顶部保温板升降装置，顶部保温板升降装置设置于炉体顶部，顶部保温板升降装置输出端与顶部保温板上端固定连接；底部保温板升降装置，底部保温板升降装置设置于炉体底部，底部保温板升降装置输出端与底部保温板下端固定连接；反应室，反应室设置于保温层内部。本发明的优点在于：可节约冷却时间，缩短总周期，提高沉积炉产能、降低生产成本，同时冷却阶段降温速率可控，能很好的满足自动工艺需求，全自动化控制，较易实现批量化生产。

Description

一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置及使用方法
技术领域
本发明涉及无机非金属材料装备领域，具体是涉及一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置及使用方法。
背景技术
碳化硅涂层是指采用物理或化学气相沉积、喷涂等方法在零件表面制备SIC涂层的方法SIC涂层具有优异的物理化学性能，如高熔点、高硬度、耐腐蚀、抗氧化等，特别是在1800-2000℃范围，具有良好的抗烧蚀性能，因此，在航空航天、兵器装备等领域具有广阔的应用前景。但SIC涂层本身不能作为结构材料使用，所以通常采用制备涂层的方法，以利用其耐磨性以及抗烧蚀性。
为提高石墨件的表面性能，通常会在石墨件表面通过化学气相沉积形成一层碳化硅薄层，可有效提高石墨组件的表面性能，从而降低客户的整体运营成本。该涂层延长了石墨组件的使用寿命，并实现了生产硅单晶所需的高纯度表面结构。
现有的碳化硅薄层化学气相沉积炉整个沉积流程中，冷却时间占总周期的约2/3，导致碳化硅薄层化学气相沉积工艺存在生产周期长、产能低的问题，因此提供一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置可有效的降低碳化硅薄层化学气相沉积生产周期，提高产能。
发明内容
为解决上述技术问题，提供一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置及使用方法，本技术方案解决了上述背景技术中提出的现有的碳化硅薄层化学气相沉积炉整个沉积流程中，冷却时间占总周期的约2/3，导致碳化硅薄层化学气相沉积工艺存在生产周期长、产能低的问题。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置，包括：
炉体；
保温层，所述保温层设置于炉体内部，所述保温层包括侧保温板、顶部保温板和底部保温板，所述顶部保温板设置于侧保温板顶部，所述底部保温板设置于侧保温板底部；
顶部保温板升降装置，所述顶部保温板升降装置设置于炉体顶部，所述顶部保温板升降装置输出端与顶部保温板上端固定连接；
底部保温板升降装置，所述底部保温板升降装置设置于炉体底部，所述底部保温板升降装置输出端与底部保温板下端固定连接；
反应室，所述反应室设置于保温层内部。
优选的，所述顶部保温板升降装置包括顶部升降模组、顶部升降驱动装置、顶部传动结构、顶部升降轴和顶部吊板，所述顶部升降模组设置有多个，多个所述顶部升降模组呈圆周均匀等距的设置在炉体上端，多个所述顶部升降模组之间通过顶部传动结构传动连接，最右端所述顶部升降模组一侧设置有顶部升降驱动装置。
优选的，所述顶部升降驱动装置包括顶部升降驱动电机和顶部升降减速器，所述顶部升降驱动电机输出端与顶部升降减速器输入端固定连接，所述顶部升降减速器输出端与顶部升降模组驱动部固定连接。
优选的，所述顶部升降模组输出端通过螺栓固定连接有顶部升降轴，所述顶部升降轴下端通过铆钉固定连接有顶部吊板，所述顶部吊板下端固定与顶部保温板固定连接。
优选的，所述顶部升降模组包括顶部升降安装板，所述顶部升降安装板下端两侧固定连接有顶部升降侧板，所述顶部升降安装板前侧上端固定连接有滑轨安装板，所述滑轨安装板前端两侧固定连接有顶部升降滑轨，所述顶部升降滑轨上滑动连接有顶部升降滑块，所述顶部升降滑块前端固定连接有顶部升降板，所述顶部升降板上通过螺栓固定连接有顶部升降轴，所述顶部升降轴贯穿顶部升降板和顶部升降安装板底面并延伸至顶部升降安装板下端，所述顶部升降轴外侧套设有防护波纹管，所述防护波纹管下端与顶部升降安装板底面固定连接，所述防护波纹管上端通过卡波扣与顶部升降板固定连接。
优选的，所述顶部升降安装板前端下侧设置有三轴减速器，所述三轴减速器上端输出端固定连接有升降驱动轴，所述升降驱动轴上端固定连接有升降驱动板，所述升降驱动板通过连接块与顶部升降板固定连接。
优选的，所述顶部传动结构包括防护壳，所述防护壳内部设置有若干个顶部传动轴，多个所述顶部传动轴之间通过万向连轴器传动连接。
优选的，所述底部保温板升降装置包括底部升降驱动电机，所述底部升降驱动电机输出端与底部升降减速机输入端固定连接，所述底部升降减速机输出端通过底部连轴器与底部升降机座，所述底部升降机座固定安装于底部安装底板前端，所述底部升降机座输出端固定连接有底部升降丝杆，所述底部升降丝杆与底部安装底板转动连接，所述底部升降丝杆上螺纹连接有底部升降丝杆螺母，所述底部升降丝杆螺母外侧固定连接有底部升降轴支撑板，所述底部升降轴支撑板上端左侧固定连接有底部升降轴，所述底部升降轴上端通过螺栓固定连接有底部保温层托板，底部保温层托板上端通过螺栓与底部保温板固定连接，所述底部安装底板左侧设置有底部升降限位开关。
进一步的，提出一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置的使用方法，适用上述的快速冷却的碳化硅涂层沉积装置，包括如下步骤：
初步降温：反应室内沉积反应完成后停止通入原料气，并开始自然降温；
分步快速冷却：当反应室内温度降温至触发温度时，开始通过顶部保温板升降装置和底部保温板升降装置，逐步打开顶部保温板和底部保温板，使侧保温板与顶部保温板和底部保温板之间形成快速降温口，随着顶部保温板和底部保温板打开的逐步增大，快速降温口逐步变大，散热面积增大以实现反应室内部的快速降温；
抽真空：在反应室温度降至200℃后，停止通入惰性气体，开始抽真空至≤100Pa，再充惰性气体至100Kpa；
取料：待温度降至50℃后，可取出石墨材料。
可选的，所述分步快速冷却中的具体分步工艺参数为：
初步开启：当反应室中温度下降至650℃，触发初步开启，顶部保温板和底部保温板开口至30mm，开口时间为60分钟；
二次开启：当反应室中温度下降至450℃，触发二次开启，顶部保温板和底部保温板开口至60mm，开口时间为30分钟；
最终开启：当反应室中温度下降至300℃，触发最终开启，顶部保温板(201)和底部保温板开口至100mm，开口时间为30分钟。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明通过设置顶部保温板升降装置和底部保温板升降装置控制顶部保温板和底部保温板进行升降，涂层冷却过程中，顶部保温板和底部保温板与侧保温板形成快速降温口，以增大散热面积可使反应室内部快速降温，提高生产效率；
2)本发明采用逐步增大快速降温口的方式，分步调控冷却阶段，使各阶段降温速率可控，能很好的满足自动工艺需求，能适应自动化控制，易实现批量化生产。
附图说明
图1为本发明的保温层闭合状态时内部结构示意图；
图2为本发明的保温层开启状态时内部结构示意图；
图3为本发明中的顶部保温板升降装置的立体结构示意图；
图4为本发明中的顶部升降模组的立体结构示意图；
图5为本发明中的底部保温板升降装置的结构示意图；
图6为本发明和传统沉积炉的冷却降温曲线图。
图中标号为：
1、炉体；
2、保温层；201、顶部保温板；202、侧保温板；203、底部保温板；
3、顶部保温板升降装置；301、顶部升降模组；3101、顶部升降安装板；3102、顶部升降侧板；3103、滑轨安装板；3104、顶部升降滑轨；3105、顶部升降滑块；3106、顶部升降板；3107、连接块；3108、防护波纹管；3109、卡波扣；3110、三轴减速器；3111、升降驱动轴；3112、升降驱动板；302、顶部升降驱动电机；303、顶部升降减速器；304、顶部传动结构；305、顶部升降轴；306、顶部吊板；
4、底部保温板升降装置；401、底部升降驱动电机；402、底部连轴器；403、底部升降机座；404、底部安装底板；405、底部升降轴支撑板；406、底部升降丝杆螺母；407、底部升降丝杆；408、底部升降轴；409、底部保温层托板；410、底部升降限位开关；
5、反应室；
6、快速降温口。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
请参阅图1-5所示，一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置，包括：
炉体1；
保温层2，保温层2设置于炉体1内部，保温层2包括侧保温板202、顶部保温板201和底部保温板203，顶部保温板201设置于侧保温板202顶部，底部保温板203设置于侧保温板202底部；
顶部保温板升降装置3，顶部保温板升降装置3设置于炉体1顶部，顶部保温板升降装置3输出端与顶部保温板201上端固定连接；
底部保温板升降装置4，底部保温板升降装置4设置于炉体1底部，底部保温板升降装置4输出端与底部保温板203下端固定连接；
反应室5，反应室5设置于保温层2内部，通过设置顶部保温板升降装置3和底部保温板升降装置4控制顶部保温板201和底部保温板203进行升降，涂层冷却过程中，顶部保温板201和底部保温板203与侧保温板202形成快速降温口6，以增大散热面积可使反应室内部快速降温，提高生产效率。
顶部保温板升降装置3包括顶部升降模组301、顶部升降驱动装置、顶部传动结构304、顶部升降轴305和顶部吊板306，顶部升降模组301设置有多个，多个顶部升降模组301呈圆周均匀等距的设置在炉体1上端，多个顶部升降模组301之间通过顶部传动结构304传动连接，最右端顶部升降模组301一侧设置有顶部升降驱动装置，顶部升降驱动装置包括顶部升降驱动电机302和顶部升降减速器303，顶部升降驱动电机302输出端与顶部升降减速器303输入端固定连接，顶部升降减速器303输出端与顶部升降模组301驱动部固定连接，顶部升降模组301输出端通过螺栓固定连接有顶部升降轴305，顶部升降轴305下端通过铆钉固定连接有顶部吊板306，顶部吊板306下端固定与顶部保温板201固定连接，顶部升降模组301包括顶部升降安装板3101，顶部升降安装板3101下端两侧固定连接有顶部升降侧板3102，顶部升降安装板3101前侧上端固定连接有滑轨安装板3103，滑轨安装板3103前端两侧固定连接有顶部升降滑轨3104，顶部升降滑轨3104上滑动连接有顶部升降滑块3105，顶部升降滑块3105前端固定连接有顶部升降板3106，顶部升降板3106上通过螺栓固定连接有顶部升降轴305，顶部升降轴305贯穿顶部升降板3106和顶部升降安装板3101底面并延伸至顶部升降安装板3101下端，顶部升降轴305外侧套设有防护波纹管3108，防护波纹管3108下端与顶部升降安装板3101底面固定连接，防护波纹管3108上端通过卡波扣3109与顶部升降板3106固定连接，顶部升降安装板3101前端下侧设置有三轴减速器3110，三轴减速器3110上端输出端固定连接有升降驱动轴3111，升降驱动轴3111上端固定连接有升降驱动板3112，升降驱动板3112通过连接块3107与顶部升降板3106固定连接，顶部传动结构304包括防护壳，防护壳内部设置有若干个顶部传动轴，多个顶部传动轴之间通过万向连轴器传动连接，三轴减速器3110左端和右端输出同步转矩，三轴减速器3110上端输出直线运动，顶部升降驱动电机302驱动顶部升降模组301上下运动时，通过顶部升降轴305、顶部吊板306可带动顶部保温板201的上下移动，多个顶部升降模组301使用同一个顶部升降驱动电机302并通过顶部传动结构304连接在一起，实现同步升降。
底部保温板升降装置4包括底部升降驱动电机401，底部升降驱动电机401输出端与底部升降减速机411输入端固定连接，底部升降减速机411输出端通过底部连轴器402与底部升降机座403，底部升降机座403固定安装于底部安装底板404前端，底部升降机座403输出端固定连接有底部升降丝杆407，底部升降丝杆407与底部安装底板404转动连接，底部升降丝杆407上螺纹连接有底部升降丝杆螺母406，底部升降丝杆螺母406外侧固定连接有底部升降轴支撑板405，底部升降轴支撑板405上端左侧固定连接有底部升降轴408，底部升降轴408上端通过螺栓固定连接有底部保温层托板409，底部保温层托板409上端通过螺栓与底部保温板203固定连接，底部安装底板404左侧设置有底部升降限位开关410，底部升降驱动电机401驱动底部连轴器402带动底部升降机座403旋转，底部升降机座403旋转带动底部升降丝杆407转动，底部升降丝杆407转动带动底部升降丝杆螺母406向上或向下运动，底部升降丝杆螺母406和底部升降轴408均通过螺丝螺母与底部升降轴支撑板405紧固在一起，底部升降丝杆螺母406沿底部升降丝杆407移动时带动底部升降轴支撑板405和底部升降轴408一起移动，底部升降轴408通过螺丝与底部保温层托板409紧固在一起，底部保温层托板409通过特殊材质(石墨或CC)螺栓螺母与底部保温板203紧固在一起，这样底部升降轴408运动时可带动底部保温板203一起移动。
上述的快速冷却的碳化硅涂层沉积装置的使用方法包括如下步骤：
初步降温：反应室5内沉积反应完成后停止通入原料气，并开始自然降温；
分步快速冷却：当反应室5内温度降温至触发温度时，开始通过顶部保温板升降装置3和底部保温板升降装置4，逐步打开顶部保温板201和底部保温板203，使侧保温板202与顶部保温板201和底部保温板203之间形成快速降温口6，随着顶部保温板201和底部保温板203打开的逐步增大，快速降温口6逐步变大，散热面积增大以实现反应室5内部的快速降温，顶部保温板201和底部保温板203可根据实际的工艺要求选择打开次序，本实施例中将顶部保温板201和底部保温板203同步打开，使降温更均匀，残余应力释放更加充分，不易产生开裂等缺陷；
抽真空：在反应室5温度降至200℃后，停止通入惰性气体，开始抽真空至≤100Pa，再充惰性气体至100Kpa；
取料：待温度降至50℃后，可取出石墨材料。
其中分步快速冷却中的具体分步工艺参数为：
初步开启：当反应室5中温度下降至650℃，触发初步开启，顶部保温板201和底部保温板203开口至30mm，开口时间为60分钟；
二次开启：当反应室5中温度下降至450℃，触发二次开启，顶部保温板201和底部保温板203开口至60mm，开口时间为30分钟；
最终开启：当反应室5中温度下降至300℃，触发最终开启，顶部保温板201和底部保温板203开口至100mm，开口时间为30分钟，采用逐步增大快速降温口的方式，分步调控冷却阶段，使各阶段降温速率可控，能很好的满足自动工艺需求，能适应自动化控制，易实现批量化生产。
如图6所示，图中original线为现有沉积炉冷却降温曲线，recepe1线为本发明的冷却降温曲线，现有沉积炉整个沉积流程中，冷却时间占总周期的约2/3，特别是600℃将至约80℃出炉耗时太长，需约50h，本发明提出的快速冷却的碳化硅涂层沉积装置及使用方法可节约碳化硅涂层冷却时间约70％，总周期缩短≥1/3，能够有效提高沉积炉产能、降低生产成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置，其特征在于，包括：
炉体(1)；
保温层(2)，所述保温层(2)设置于炉体(1)内部，所述保温层(2)包括侧保温板(202)、顶部保温板(201)和底部保温板(203)，所述顶部保温板(201)设置于侧保温板(202)顶部，所述底部保温板(203)设置于侧保温板(202)底部；
顶部保温板升降装置(3)，所述顶部保温板升降装置(3)设置于炉体(1)顶部，所述顶部保温板升降装置(3)输出端与顶部保温板(201)上端固定连接；
底部保温板升降装置(4)，所述底部保温板升降装置(4)设置于炉体(1)底部，所述底部保温板升降装置(4)输出端与底部保温板(203)下端固定连接；
反应室(5)，所述反应室(5)设置于保温层(2)内部。
2.根据权利要求1所述的一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置，其特征在于，所述顶部保温板升降装置(3)包括顶部升降模组(301)、顶部升降驱动装置、顶部传动结构(304)、顶部升降轴(305)和顶部吊板(306)，所述顶部升降模组(301)设置有多个，多个所述顶部升降模组(301)呈圆周均匀等距的设置在炉体(1)上端，多个所述顶部升降模组(301)之间通过顶部传动结构(304)传动连接，最右端所述顶部升降模组(301)一侧设置有顶部升降驱动装置。
3.根据权利要求2所述的一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置，其特征在于，所述顶部升降驱动装置包括顶部升降驱动电机(302)和顶部升降减速器(303)，所述顶部升降驱动电机(302)输出端与顶部升降减速器(303)输入端固定连接，所述顶部升降减速器(303)输出端与顶部升降模组(301)驱动部固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置，其特征在于，所述顶部升降模组(301)输出端通过螺栓固定连接有顶部升降轴(305)，所述顶部升降轴(305)下端通过铆钉固定连接有顶部吊板(306)，所述顶部吊板(306)下端固定与顶部保温板(201)固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置，其特征在于，所述顶部升降模组(301)包括顶部升降安装板(3101)，所述顶部升降安装板(3101)下端两侧固定连接有顶部升降侧板(3102)，所述顶部升降安装板(3101)前侧上端固定连接有滑轨安装板(3103)，所述滑轨安装板(3103)前端两侧固定连接有顶部升降滑轨(3104)，所述顶部升降滑轨(3104)上滑动连接有顶部升降滑块(3105)，所述顶部升降滑块(3105)前端固定连接有顶部升降板(3106)，所述顶部升降板(3106)上通过螺栓固定连接有顶部升降轴(305)，所述顶部升降轴(305)贯穿顶部升降板(3106)和顶部升降安装板(3101)底面并延伸至顶部升降安装板(3101)下端，所述顶部升降轴(305)外侧套设有防护波纹管(3108)，所述防护波纹管(3108)下端与顶部升降安装板(3101)底面固定连接，所述防护波纹管(3108)上端通过卡波扣(3109)与顶部升降板(3106)固定连接。
6.根据权利要求5所述的一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置，其特征在于，所述顶部升降安装板(3101)前端下侧设置有三轴减速器(3110)，所述三轴减速器(3110)上端输出端固定连接有升降驱动轴(3111)，所述升降驱动轴(3111)上端固定连接有升降驱动板(3112)，所述升降驱动板(3112)通过连接块(3107)与顶部升降板(3106)固定连接。
7.根据权利要求6所述的一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置，其特征在于，所述顶部传动结构(304)包括防护壳，所述防护壳内部设置有若干个顶部传动轴，多个所述顶部传动轴之间通过万向连轴器传动连接。
8.根据权利要求1所述的一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置，其特征在于，所述底部保温板升降装置(4)包括底部升降驱动电机(401)，所述底部升降驱动电机(401)输出端与底部升降减速机(411)输入端固定连接，所述底部升降减速机(411)输出端通过底部连轴器(402)与底部升降机座(403)，所述底部升降机座(403)固定安装于底部安装底板(404)前端，所述底部升降机座(403)输出端固定连接有底部升降丝杆(407)，所述底部升降丝杆(407)与底部安装底板(404)转动连接，所述底部升降丝杆(407)上螺纹连接有底部升降丝杆螺母(406)，所述底部升降丝杆螺母(406)外侧固定连接有底部升降轴支撑板(405)，所述底部升降轴支撑板(405)上端左侧固定连接有底部升降轴(408)，所述底部升降轴(408)上端通过螺栓固定连接有底部保温层托板(409)，底部保温层托板(409)上端通过螺栓与底部保温板(203)固定连接，所述底部安装底板(404)左侧设置有底部升降限位开关(410)。
9.一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置的使用方法，适用于如权利要求1-8任一项所述的快速冷却的碳化硅涂层沉积装置，其特征在于，包括如下步骤：
初步降温：反应室(5)内沉积反应完成后停止通入原料气，并开始自然降温；
分步快速冷却：当反应室(5)内温度降温至触发温度时，开始通过顶部保温板升降装置(3)和底部保温板升降装置(4)，逐步打开顶部保温板(201)和底部保温板(203)，使侧保温板(202)与顶部保温板(201)和底部保温板(203)之间形成快速降温口(6)，随着顶部保温板(201)和底部保温板(203)打开的逐步增大，快速降温口(6)逐步变大，散热面积增大以实现反应室(5)内部的快速降温；
抽真空：在反应室(5)温度降至200后℃，停止通入惰性气体，开始抽真空至≤100Pa，再充惰性气体至100Kpa；
取料：待温度降至50℃后，可取出石墨材料。
10.根据权利要求9所述的一种快速冷却的碳化硅涂层沉积装置的使用方法，其特征在于，所述分步快速冷却中的具体分步工艺参数为：
初步开启：当反应室(5)中温度下降至650℃，触发初步开启，顶部保温板(201)和底部保温板(203)开口至30mm，开口时间为60分钟；
二次开启：当反应室(5)中温度下降至450℃，触发二次开启，顶部保温板(201)和底部保温板(203)开口至60mm，开口时间为30分钟；
最终开启：当反应室(5)中温度下降至300℃，触发最终开启，顶部保温板(201)和底部保温板(203)开口至100mm，开口时间为30分钟。
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