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还原炉底盘表面层的制备方法、还原炉底盘及还原炉

申请号 CN202210330782.X 申请日 2022-03-30 公开(公告)号 CN114686870A 公开(公告)日 2022-07-01
申请人 广东省科学院新材料研究所; 发明人 谢迎春; 张科杰; 黄仁忠; 曾良; 邓春明;
摘要 本 发明 公开了还原炉底盘表面 银 层的制备方法、还原炉底盘及还原炉,涉及多晶 硅 装备制造技术领域。本发明所提供的制备方法先利用激光加热系统对底盘表面进行加热,然后利用拉法尔 喷嘴 对加热后的底盘表面喷射超音速的银颗粒,以使加热 软化 后的底盘表面和银粉颗粒同时经历强塑性 变形 , 接触 银/ 钢 结合面积增大,同时伴随大量元素扩散进而形成强 力 结合;利用 激光清洗 的方法对涂层表面的 氧 化银进行去除,以避免对银层服役性能的负面影响。采用上述制备方法对底盘表面进行银涂层的制备,能够制造一层具有高界面结合强度的致密银涂层,可在350℃以上长期服役。
权利要求

1.一种还原炉底盘表面层的制备方法,其特征在于,包括:
利用激光加热系统对底盘表面加热,然后利用拉法尔喷嘴向加热后的底盘表面喷射出超音速的银颗粒,以使加热后的底盘表面和银粉颗粒同时经历强塑性变形形成涂层;
在涂层形成之后,采用激光清洗的方法对涂层表面形成的化银进行去除。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,利用所述激光加热系统对所述底盘表面加热至1150‑1300℃再喷涂所述银颗粒;
优选地,利用所述激光加热系统对所述底盘表面加热至1200‑1250℃;
优选地,所述激光加热系统的功率为9000‑11000KW,频率为230‑280KHz;用于激光清洗的激光功率为1KW‑5KW,频率为300‑550KHz。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述银颗粒的沉积速度大于650m/s,且银颗粒未经加热;
优选地,所述银颗粒的沉积速度为700‑800m/s。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述银颗粒为平均粒径5‑35μm的球形粉,所述银颗粒的纯度大于99.99%,且氧含量小于750ppm。
5.根据权利要求1‑4中任一项所述的制备方法,其特征在于,将所述激光加热系统上的激光加热头、用于固态沉积的拉法尔喷嘴和用于去除氧化银的激光清洗头固定于机械手上,使所述激光加热头、所述拉法尔喷嘴和所述激光清洗头以相同的轨迹和速度进行联动,控制整体平移动速率为200‑500mm/s,所述激光加热头和所述拉法尔喷嘴的间距为1‑
5mm;
优选地,控制所述拉法尔喷嘴以回字形的沉积路径进行移动。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述激光清洗头是对新旧涂层搭接区域进行照射,使氧化银气化
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述激光加热头和所述激光清洗头的光斑均为矩形光斑,所述拉法尔喷嘴对应的银粉沉积粉斑为圆形,所述激光加热头的矩形光斑与所述银粉沉积粉斑相切,所述激光清洗头与所述激光加热头的两个矩形光斑的短边重合,并覆盖新旧银层的搭接区域;
优选地,所述激光加热头的矩形光斑的长度为18‑23mm、宽度为1‑3mm,所述激光清洗头的矩形光斑的长度为12‑17mm、宽度为0.5‑1.5mm,所述银粉沉积粉斑的直径为8‑12mm。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在沉积涂层之前对所述底盘表面依次进行清洗、打磨,然后在所述底盘上的孔隙以及所述底盘的边缘装配保护夹具,再进行去灰、除油、清洗和干燥;
优选地,将干燥后的所述底盘固定于固定台上再进行涂层沉积,以使所述底盘在涂层沉积过程中保持位置固定。
9.一种还原炉底盘,其特征在于,其通过权利要求1‑8中任一项所述的制备方法制备而得。
10.一种还原炉,其特征在于,包括权利要求9所述的还原炉底盘。

说明书全文

还原炉底盘表面层的制备方法、还原炉底盘及还原炉

技术领域

[0001] 本发明涉及多晶装备制造技术领域,具体而言,涉及还原炉底盘表面银层的制备方法、还原炉底盘及还原炉。

背景技术

[0002] 多晶硅太阳能产业、半导体行业的重要基础原料,改良西子法作为多晶硅生产的主流技术,多晶硅反应炉是其主要设备载体。反应炉底盘作为多晶硅反应炉的重要组成部分,由不锈制成,在多晶硅制备过程中起着重要的作用。在还原炉底盘表面制备一层银涂层,不但可以降低辐射能量通过底盘的散失,节约能源成本,还可隔绝不锈钢本体材料元素释放对多晶硅产品的污染,代表了多晶硅生产发展的方向。
[0003] 部分企业已开始利用爆炸焊银/钢复合板制备还原炉钟罩,但底盘结构远比钟罩复杂,为避免底盘表面的温度过高,而导致不锈钢材料软化甚至熔化出现结构及污染危险,反应炉底盘均采用空心冷结构,且底盘表面布满电极孔、进料孔、尾气孔等众多不规则结构。
[0004] 为降低底盘的能量散失,传统方法利用电刷可在底盘表面制备一层银涂层,但电刷镀制备银层,结合强度太低,一炉过后基本就会报废。近期,研发人员开始尝试利用喷涂技术在还原炉内壁表面制备了一层银涂层以替代银/钢复合板。近期也有部分研究人员开利用冷气动喷涂在还原炉钟罩表面制备银涂层,但相关技术的使用在底盘表面的应用仍存在结合强度低,银层易起泡等问题,即使将相关技术转移到底盘表面银涂层的制备,对于结构更加复杂,服役条件更加恶劣的还原炉底盘仍无法满足需求。
[0005] 因此,需要在还原炉底盘表面开发一种工艺简单、易于操作、成本低廉、涂层可在350℃以上长期服役的具有高致密、高界面结合强度的纯银涂层。
[0006] 鉴于此,特提出本发明。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供还原炉底盘表面银层的制备方法,旨在采用简便易行的方法在还原炉底盘表面制造一层具有高界面结合强度的致密银涂层。
[0008] 本发明的另一目的在于提供一种还原炉底盘及还原炉,底盘表面的银涂层具备很高的结合强度,能够满足350℃以上长期服役的要求。
[0009] 本发明是这样实现的:
[0010] 第一方面,本发明提供一种还原炉底盘表面银层的制备方法,包括:
[0011] 利用激光加热系统对底盘表面加热,然后利用拉法尔喷嘴向加热后的底盘表面喷射出超音速的银颗粒,以使加热后的底盘表面和银粉颗粒同时经历强塑性变形形成涂层;
[0012] 在涂层形成之后,采用激光清洗的方法对涂层表面形成的化银进行去除。
[0013] 在可选的实施方式中,利用所述激光加热系统对所述底盘表面加热至1150‑1300℃再喷涂所述银颗粒;
[0014] 优选地,利用所述激光加热系统对所述底盘表面加热至1200‑1250℃;
[0015] 优选地,激光加热系统的功率为9000‑11000KW,频率为230‑280KHz;用于激光清洗的激光功率为1KW‑5KW,频率为300‑550KHz。
[0016] 在可选的实施方式中,银颗粒的沉积速度大于650m/s,且银颗粒未经加热;
[0017] 优选地,银颗粒的沉积速度为700‑800m/s。
[0018] 在可选的实施方式中,银颗粒为平均粒径5‑35μm的球形粉,银颗粒的纯度大于99.99%,且氧含量小于750ppm。
[0019] 在可选的实施方式中,将激光加热系统上的激光加热头、用于固态沉积的拉法尔喷嘴和用于去除氧化银的激光清洗头固定于机械手上,使激光加热头、拉法尔喷嘴和激光清洗头以相同的轨迹和速度进行联动,控制整体水平移动速率为200‑500mm/s,所述激光加热头和所述拉法尔喷嘴的间距为1‑5mm。
[0020] 优选地,控制拉法尔喷嘴以回字形的沉积路径进行移动。
[0021] 在可选的实施方式中,激光清洗头是对新旧涂层搭接区域进行照射,使氧化银气化
[0022] 在可选的实施方式中,激光加热头和激光清洗头的光斑均为矩形光斑,拉法尔喷嘴对应的银粉沉积粉斑为圆形,激光加热头的矩形光斑与银粉沉积粉斑相切,激光清洗头与激光加热头的两个矩形光斑的短边重合,并覆盖新旧银层的搭接区域;
[0023] 优选地,激光加热头的矩形光斑的长度为18‑23mm、宽度为1‑3mm,激光清洗头的矩形光斑的长度为12‑17mm、宽度为0.5‑1.5mm,银粉沉积粉斑的直径为8‑12mm。
[0024] 在可选的实施方式中,在沉积涂层之前对底盘表面依次进行清洗、打磨,然后在底盘上的孔隙以及底盘的边缘装配保护夹具,再进行去灰、除油、清洗和干燥;
[0025] 优选地,将干燥后的底盘固定于固定台上再进行涂层沉积,以使底盘在涂层沉积过程中保持位置固定。
[0026] 第二方面,本发明提供一种还原炉底盘,其通过前述实施方式中任一项的制备方法制备而得。
[0027] 第三方面,本发明提供一种还原炉,包括前述实施方式的还原炉底盘。
[0028] 本发明具有以下有益效果:利用激光加热系统对底盘表面进行加热,然后利用拉法尔喷嘴对加热后的底盘表面喷射超音速的银颗粒,以使加热后的底盘表面和银粉颗粒同时经历强塑性变形,接触银/钢结合面积增大,同时伴随大量元素扩散进而形成强力结合;利用激光清洗的方法对涂层表面的氧化银进行去除,以避免对银层服役性能的负面影响。
采用本发明实施例所提供的制备方法对底盘表面进行银涂层的制备,能够制造一层具有高界面结合强度的致密银涂层,可在350℃以上长期服役。
附图说明
[0029] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0030] 图1为还原炉底盘表面制备高纯致密银层的原理图;
[0031] 图2为还原炉底盘表面高纯致密银层制备各区域说明;
[0032] 图3为拆卸后的底盘电极孔保护夹具表面沉积银涂层表面形貌;
[0033] 图4为底盘表面沉积银涂层表面形貌(局部)。

具体实施方式

[0034] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0035] 本发明实施例提供一种还原炉底盘表面银层的制备方法,包括以下步骤:
[0036] S1、前处理
[0037] 在沉积涂层之前对底盘表面依次进行清洗、打磨,然后在底盘上的孔隙(包括电极孔、进料孔、尾气孔)以及底盘的边缘密封面装配保护夹具,再进行去灰、除油、清洗和干燥,要求处理后的底盘表面无杂质。
[0038] 在一些实施例中,将干燥后的底盘固定于固定台上再进行涂层沉积,以使底盘在涂层沉积过程中保持位置固定,无移动。
[0039] S2、加热
[0040] 利用激光加热系统对底盘表面加热,控制加热后底盘表面的温度为1150‑1300℃再喷涂银颗粒,以使加热后的底盘表面和银粉颗粒同时经历强塑性变形。具体地,加热后底盘的表面的温度可以为1150℃、1180℃、1200℃、1220℃、1240℃、1260℃、1280℃、1300℃等,也可以为以上相邻温度值之间的任意值。
[0041] 在优选的实施例中,利用激光加热系统对底盘表面加热至1200‑1250℃,以使不锈钢材质的底盘达到软化的状态。
[0042] 在一些实施例中,激光加热系统的功率为9000‑11000KW,频率为230‑280KHz。
[0043] S3、喷涂
[0044] 利用拉法尔喷嘴向加热后的底盘表面喷射出超音速的银颗粒,以使加热后的底盘表面和银粉颗粒同时经历强塑性变形,接触银/钢结合面积增大,同时伴随大量元素扩散进而形成强力结合。当大量银粉颗粒沉积至加热后的底盘表面,即使不经过热处理和银粉的后续碰撞夯实,也可在底盘壁形成厚度<100微米,结合强度大于70MPa,致密度大于99.9%的高质量银层。
[0045] 在一些实施例中,银颗粒的沉积速度大于650m/s,且银颗粒未经加热,在超音速膨胀降温后,温度低于0℃,以提高银粉硬度;优选地,银颗粒的沉积速度为700‑800m/s。
[0046] 具体地,银颗粒的沉积速度可以为650m/s、700m/s、750m/s、800m/s等,也可以为以上相邻速度值之间的任意值。
[0047] 在一些实施例中,银颗粒为平均粒径5‑35μm的球形粉,银颗粒的纯度大于99.99%,且氧含量小于750ppm。采用高纯的银颗粒,并且氧含量较小,有利于降低涂层形成之后形成氧化银的量。
[0048] S4、氧化银去除
[0049] 在涂层形成之后,采用激光清洗的方法对涂层表面形成的氧化银进行去除,以避免对银层服役性能的负面影响。用于激光清洗的激光功率为1KW‑5KW,频率为300‑550KHz。
[0050] 需要说明的是,当沉积路径返回时,已沉积表面银层因为高温与空气中的氧气反应形成的氧化银,会严重缩短银层的服役寿命,故必须去除新旧银层搭接处的氧化银。
[0051] 在一些实施例中,如图1和图2所示,将激光加热系统上的激光加热头、用于固态沉积的拉法尔喷嘴和用于去除氧化银的激光清洗头固定于机械手上,使激光加热头、拉法尔喷嘴和激光清洗头以相同的轨迹和速度进行联动,控制整体水平移动速率为200‑500mm/s,所述激光加热头和所述拉法尔喷嘴的间距为1‑5mm,激光加热头的加热温度为1150‑1300℃。通过控制间距、移动速率、加热温度等参数,可以进一步控制加热后的底盘温度,提升底盘上涂层的结合强度。
[0052] 具体地,如图1和图2所示,激光加热头、拉法尔喷嘴和激光清洗头连接在机械手上,在移动过程中先利用激光加热头进行对底盘上的部分区域加热,然后再利用固态沉积喷嘴(即拉法尔喷嘴)在该区域喷出高速运动的银颗粒进行沉积形成涂层。激光清洗头为高频激光清洗头,频率大于激光加热头,其作用是对已经形成涂层的区域进行照射去除氧化银。
[0053] 在一些实施例中,控制拉法尔喷嘴以回字形的沉积路径进行移动,“回字形”是一种上下左右移动的常规移动方法。在其他实施例中,拉法尔喷嘴的移动方法不限于回字形,可以为其他类型,在此不做限定。
[0054] 在可选的实施方式中,激光清洗头是对新旧涂层搭接区域进行照射,使氧化银气化。具体地,与拉法尔喷嘴联动高频激光清洗头可在已形成银层表面开始新一轮沉积前,对旧银层待搭接区域进行照射,使氧化银气化完成清洗,进而去除新旧银层搭接处的氧化银。
[0055] 在一些实施例中,如图2所示,激光加热头和激光清洗头的光斑均为矩形光斑,拉法尔喷嘴对应的银粉沉积粉斑为圆形,激光加热头的矩形光斑与银粉沉积粉斑相切,激光清洗头与激光加热头的两个矩形光斑的短边重合(图中为了区分没有画为重合),并覆盖新旧银层的搭接区域。在工作时,激光加热头、拉法尔喷嘴和激光清洗头同时工作,对于同一区域而言是先加热后喷涂,最后再进行清洗。
[0056] 在一些实施例中,激光加热头的矩形光斑的长度为18‑23mm、宽度为1‑3mm,激光清洗头的矩形光斑的长度为12‑17mm、宽度为0.5‑1.5mm,银粉沉积粉斑的直径为8‑12mm。如激光加热头为2*20mm的矩形光斑,银粉沉积粉斑为直径10mm的圆形,高频激光清洗光斑为1*15mm的矩形光斑。
[0057] 本发明实施例提供一种还原炉底盘,其通过上述制备方法制备而得,通过优化银涂层的制备方法,显著提升了底盘上银涂层与底盘的结合强度。
[0058] 需要说明的是,利用本发明实施例所提供的制备方法可以有效解决银/钢复合板无法制备多晶硅还原炉底盘的问题。底盘表面制备的银层具备以下优点:
[0059] (1)无需打底层,不需其他材料掺杂,能保持银粉原材料固有性质且不引入新的污染源;
[0060] (2)有效去除银层氧化产生的氧化银夹杂对银层服役性能的负面影响;
[0061] (3)在低耗能条件下,在还原炉底盘表面的涂层厚度小于100微米,结合强度大于70MPa,致密度大于99.9%,350℃条件下,600小时无鼓包,剥离、脱落现象;
[0062] (4)工艺简单、能耗少成本低,银/钢界面结合强度高,银层孔隙率低,服役寿命长,能有效降低多晶硅生产成本,提升企业效益。
[0063] 本发明实施例提供一种还原炉,包括前述实施方式的还原炉底盘,还可以包括炉体等其他结构。
[0064] 以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
[0065] 实施例1
[0066] 本实施例提供一种还原炉底盘表面银层的制备方法,包括以下步骤:
[0067] (1)前处理:对还原炉底盘表面依次进行清洗、千叶片打磨,然后在电极孔,进料孔,尾气孔,底盘边缘密封面装配好保护夹具,再进行去灰、除油、清洗及干燥处理,要求处理后的底盘表面无杂质;后将底盘安装在在底盘固定台并固定,保证银层制备中底盘无移动。
[0068] (2)设备准备:如图1‑2所示,激光加热头、固态沉积拉法尔喷嘴,高频激光清洗头固定于机械手,三者联动,移动轨迹、速度相同;底盘表面银层制备时,喷嘴移动路径为简单的回字形沉积路径;配合机械手,可固态沉积拉法尔喷嘴相对底盘表面以500mm/s的速度匀速移动,激光加热头和拉法尔喷嘴的间距为2mm。
[0069] (3)加热与喷涂:移动激光加热头、拉法尔喷嘴和高频激光清洗头,这样沉积银粉前先采用激光加热系统对底盘表面进行加热,从喷嘴中射出的超音速银颗粒,碰撞至经激光加热软化的底盘表面后,银粉颗粒和底盘表面材料将同时经历强塑性变形,接触银/钢结合面积增大,同时伴随大量元素扩散进而形成强力结合。
[0070] 参数控制:激光加热头为2*20mm的矩形光斑,银粉沉积粉斑为直径10mm的圆形,高频激光清洗光斑为1*15mm的矩形光斑。采用功率为10000KW,工作频率为250KHz的激光加热系统使底盘表面2*20毫米的矩形区域温度达到1250℃。通过固态沉积系统将纯度>99.99%,球形,平均粒径20微米的银粉加速到780m/s,降温至小于0℃,然后通过拉法尔喷嘴喷射到经过加热的底盘壁表面,送粉速度250g/min,当银粉颗粒陆续沉积至加热后的底盘表面后,在底盘壁形成厚度80微米的涂层。
[0071] (4)清洗:利用1000W高频激光清洗头(频率为500KHz)在已形成银层表面开始新一轮沉积前,对旧银层待搭接区域进行照射,使氧化银气化完成清洗,进而去除新旧银层搭接处的氧化银。
[0072] 经检测,银涂层的结合强度大于75MPa,致密度大于99.9%,氧含量小于300ppm的高质量银层。
[0073] 图3为拆卸后的底盘电极孔保护夹具表面沉积银涂层表面形貌,图4为底盘表面沉积银涂层表面形貌,可以看出底盘表面的银涂层均匀平整无鼓包出现。
[0074] 实施例2
[0075] 与实施例1的区别仅在于以下参数控制:采用功率为6000KW,工作频率为230KHz的激光加热系统使底盘表面2*20毫米的矩形区域温度达到1150℃;通过固态沉积系统将平均粒径5微米的银粉加速到700m/s。
[0076] 经检测,银涂层的结合强度约为62MPa,致密度大于99.9%,氧含量小于300ppm的高质量银层。
[0077] 实施例3
[0078] 与实施例1的区别仅在于以下参数控制:采用功率为11000KW,工作频率为280KHz的激光加热系统使底盘表面2*20毫米的矩形区域温度达到1300℃;通过固态沉积系统将平均粒径35微米的银粉加速到800m/s。
[0079] 经检测,银涂层的结合强度约为68MPa,致密度大于99.9%,氧含量小于300ppm的高质量银层。
[0080] 需要说明的是,以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
[0081] 对比例1
[0082] 本对比例与实施例1的区别在于:未采用激光加热装置,其余条件(包括结构,材料、参数等)均与实施例1相同。银层无法在底盘表面完成沉积。
[0083] 对比例2
[0084] 本对比例与实施例1的区别在于:采用激光加热装置,底盘表面的加热温度为500℃,其余条件(包括结构,材料、参数等)均与实施例1相同。与实施例相比,对比例2中得到的涂层银/钢界面结合强度只有28MPa,350℃条件下,20%区域出现直径3mm左右的鼓包,银/钢界面脱离。
[0085] 对比例3
[0086] 本对比例与实施例1的区别在于:银粉颗粒的碰撞沉积速度200m/s,其余条件(包括结构,材料、参数等)均与实施例1相同。对比例3中得到的涂层银/钢界面结合强度只有22MPa,350℃条件下,75%区域出现直径3mm左右的鼓包,银/钢界面脱离。
[0087] 对比例4
[0088] 本对比例与实施例1的区别在于:对粉末进行预热,预热温度600℃。其余条件(包括结构,材料、参数等)均与实施例1相同。对比例4中得到的涂层银/钢界面结合强度55MPa,其出现了喷嘴堵塞现象,效率大幅降低,受喷嘴堵塞影响,孔隙率增大至1.3%。
[0089] 对比例5
[0090] 本对比例与实施例1的区别在于:未使用高频激光清洗头对新旧银层搭接处的氧化银进行清理,其余条件(包括结构,材料、参数等)均与实施例1相同。对比例5中得到的银层氧含量上升至1700ppm,银层在350℃条件下,65%区域出现直径3mm左右的鼓包。
[0091] 对比例6
[0092] 本对比例与实施例1的区别在于:使用银粉平均粒径350μm的银粉,其余条件(包括结构,材料、参数等)均与实施例1相同。粉末沉积厚度达到145微米,增大了昂贵银材的使用量,成本过高。
[0093] 以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。