Co-Re化学气相沉积设备与控制系统设计

摘要

铼(Re)及其合金具有优异的高温力学、抗热疲劳、耐磨、抗腐蚀以及催化等特性，广泛应用于国防、航空航天、电子以及石油化工等领域。在难熔金属Re中加入钴(Co)形成钴铼(Co-Re)合金，可以有效地提高材料的抗氧化能力，拓展Re涂层在高温环境下的使用范围，同时降低制备Re涂层的成本。　　为了开展铼合金层的低温(＜600℃)、低成本、环境友好型化学气相沉积制备技术，采用两个升华室，分别以Co(acac)2和Re2(CO)10为前驱体，通过运载气体H2输运至反应室，在速射武器身管钢基体上(0CrNi2MoVA型钢材)同时沉积Co原子和Re原子，生成Co-Re合金抗烧蚀涂层。采用道尔顿分压定律计算出设备升华室和反应室的尺寸。采用计算流体力学CFD方法对Co-Re化学气相沉积设备反应室进行三维数值模拟分析，以分析基底附近速度场是否均匀为目的，研究了不同进气口形状、位置、流量大小以及压力对基底附近流场的影响。对Co-Re化学气相沉积设备机械系统和控制系统进行设计与选型。结论如下：　　1）Co-Re化学气相沉积设备由升华室、反应室、气体运输系统、温度系统以及真空系统五个部分组成，并分别对设备的机械系统进行设计；以道尔顿分压定律为基础，计算出的升华室和反应室的尺寸分别为Ф50×200 mm和Ф30×200 mm。　　2）采用CFD模拟软件对该设备反应室进行数值模拟，分别讨论不同进气口形状以及基底位置、进气流量大小以及反应室压力大小对基底附近速度场影响，模拟结果表明采用直型喷头、基底距进气口位置为150 mm和流量大小150 ml/min时，基底附近速度场更加均匀，压力大小对速度场变化无明显影响。　　3）对Co-Re化学气相沉积设备控制系统进行设计，控制系统包括压力控制、流量控制与温度控制，并对控制仪表进行选型；流量控制中包括反应室氢气补偿控制，计算出反应过程中氢气补偿量为83 ml/min；建立Co-Re化学气相沉积设备反应室压力控制与温度控制数学模型。　　4）制作了Co-Re化学气相沉积设备，并用设备进行实验，实验结果表明能够制备出表面均匀、组织结构致密的Co-Re合金涂层。

目录

1 绪论

1.1 前言

1.2 Co涂层的制备工艺

1.2.1 化学镀(Electroless plating)

1.2.2 激光熔覆(Laser Cladding)

1.2.3 电沉积(Electrodeposition)

1.3 Re涂层的制备工艺

1.3.1 电子束物理气相沉积(EB-PVD)

1.3.2 熔盐电沉积(ED)

1.3.3 化学气相沉积(CVD)

1.4 Co-Re合金的抗氧化性

1.5 MOCVD概述

1.6 国内外研究现状

1.6.1 MOCVD设备研究现状

1.6.2化学气相沉积(CVD)模拟现状

1.7.1 研究目的

1.7.2 研究主要内容

1.7.3 研究创新点

2 Co-Re化学气相沉积设备总体方案设计

2.1.1 前驱体的选择

2.1.2 Co-Re化学气相沉积设备方案设计

2.2 化学气相沉积制备Co-Re合金涂层的热力学分析

2.2.1 化学气相沉积制备Co涂层的热力学分析

2.2.2 化学气相沉积制备Re涂层的热力学分析

2.2.3 Co、Re共沉积

2.3本章小结

3 Co-Re化学气相沉积设备机械系统设计

3.1.1结构设计

3.1.2加热装置设计

3.2.1多腔体金属化学气相沉积设备的必要性

3.2.2 金属化学气相沉积设备气路系统设计

3.3真空系统设计

3.4.1 计算流体动力学仿真意义

3.4.2 计算流体力学

3.4.3 反应几何模型

3.4.4 控制方程

3.4.5 ICEMCFD网格划分

3.4.6 FLUENT软件计算

3.4.7 结果与讨论

3.5 本章小结

4 Co-Re化学气相沉积设备控制系统设计

4.1压力控制

4.1.1反应室压力控制

4.1.2 反应室压力控制数学模型建立

4.1.3 压力控制系统方框图

4.2流量控制

4.2.1流量计特点

4.2.2 流量计选型

4.2.3 反应室氢气流量补偿控制

4.3温度控制

4.3.1热电偶工作原理

4.3.2反应室温度控制数学模型的建立

4.3.3 温度控制系统方框图

4.3.4 温控仪选型

4.4 本章小结

5 Co-Re化学气相沉积设备实现与结论

5.1 Co-Re化学气相沉积设备实现

5.2 实验结论

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果