[發明專利]一種鉭表面碳化改性的方法及其制備的產品

有效

• 申請號: 201611158491.8
• 申請日: 2016-12-15
• 公開（公告）號: CN106756767B
• 公開（公告）日: 2018-11-09
• 發明（設計）人: 朱康偉;胡殷;周寰林;羅文華;龍重;馬策;楊鎖龍;陳曉龍;羅志鵬;羅麗珠
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院材料研究所
• 主分類號: C23C8/36
• 分類號: C23C8/36
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 沈強

本發明公開了一種鉭表面碳化改性的方法及其制備的產品，目的在于解決鉭材料具有高熔點，現有的鉭碳化表面改性技術工藝復雜，改性層組織不易控制等的問題。本發明在控制真空室內雜質狀態的前提下，離化甲烷氣體，在金屬鉭的表面通過碳離子束轟擊引入碳元素，通過離子束轟擊產生的熱量加熱幫助碳元素向金屬鉭內部擴散，在金屬鉭表面形成碳化物改性層，以增強金屬鉭表面的耐熔體腐蝕能力。本發明制備工藝簡單，生產效率高，成本低廉，能夠滿足工業化大規模應用的需求。同時，本發明制備的產品具有較好的耐熔體腐蝕能力，值得大規模推廣和應用。

技術領域

本發明涉及防腐蝕領域，尤其是鉭表面防腐蝕領域，具體為一種鉭表面碳化改性的方法及其制備的產品。

背景技術

鉭及其合金作為一種耐高溫、耐腐蝕的結構材料，被廣泛應用于航空航天、核工業、化學工業、醫療、武器制造等高技術領域。基于鉭良好的可加工性、出色的高溫力學性能，其能耐受多種液態金屬的腐蝕，因而常被用作高溫坩堝材料，用于各種過渡金屬和稀土合金的熔煉。

然而，鉭在300℃以上時，其表面會加速氧化，使其耐腐蝕性能下降，導致熔體滲入鉭坩堝的晶粒內部，使得鉭在高溫下與液態金屬或雜質發生加速腐蝕行為，不僅使熔體受到污染，還使得坩堝耐用性下降。目前，已見報道的鉭表面抗腐蝕改性方法主要包括：合金化、涂層、滲氮、滲碳等。其中，滲碳改性作為提高鉭坩堝性能的一種重要途徑，其在鉭表面形成碳化物改性層，以抵抗氧化和熔體腐蝕，具有工藝簡單、不影響基體性能的優點。

在金屬材料的表面改性研究中，常用的滲碳改性方法包括：液體滲碳法、固體滲碳法、離子滲碳法等。其中，用于鉭表面碳化改性的主要方法有如下兩種：固體滲碳法、離子滲碳法。

固體滲碳法是指利用固態碳顆粒與金屬鉭在高溫下發生擴散反應，在鉭表面形成碳化物改性層，以提高金屬鉭的抗熔體腐蝕的能力。例如北京華進創威電子有限公司在中國申請的名稱為《一種用于高溫氣相法晶體生長的TaC坩堝的制備方法》(公開號：CN103643305A)的發明中描述了一種鉭坩堝表面碳化改性技術，該技術的原理是將鉭坩堝埋于石墨粉中，通過加熱是金屬鉭與石墨發生反應，從而在金屬鉭表面得到碳化物改性層。此類方法得到的碳化物改性層在一定程度上可提高金屬鉭的耐用性，但該方法工藝復雜，滲碳速度慢，碳化物改性層的組織結構在制備過程中可控性差。

離子滲碳法是利用氣體離化產生的碳源與金屬鉭在一定溫度下發生反應，形成鉭碳化物改性層。例如，長崎工業技術中心的Baba等研究人員在《Nuclear Instruments andMethods in Physics Research B》(2007年，257卷，746–749頁)介紹了使用浸沒式等離子體滲碳的方法，將能量為15keV的碳原子注入金屬鉭表面，形成了一定厚度的碳化改性層。但對于金屬鉭來說，離子滲碳法改性表面需要解決的一個關鍵是鉭高熔點的問題，低溫下進行離子滲碳效率低，改性層生長速度慢，而且氣體中的氫元素會殘留在金屬鉭中；另外一方面，如果采用高溫加熱的方式，現有的制備方法往往只能采用外熱源輔助加熱的模式，該類設備構造復雜，設備費用昂貴。

鉭滲碳過程中產生的碳化物主要為TaC與Ta₂C。鉭表面滲碳后，碳含量由外到內逐漸降低，在表面形成Ta/Ta₂C/TaC的三層結構。TaC是一種常用的高溫抗氧化涂層以及硬質合金添加物，具有高熔點、高硬度以及較好的高溫強度，較好的耐腐蝕性和抗氧化性，但室溫塑性較差。由于TaC熱膨脹系數與Ta接近，二者可以獲得耐熱沖擊的復合界面。Ta₂C的研究報道相對少見，有理論模擬研究指出，與TaC比較，Ta₂C強度較低，塑性較好，耐腐蝕性能較優。

目前，在金屬鉭表面的碳化改性技術已經發展得比較成熟，但是由于鉭材料具有高熔點，現有的鉭碳化表面改性技術工藝復雜，改性層組織不易控制等缺點。

為此，本發明提供一種工藝簡便、雜質可控性強的鉭表面碳化改性技術，該技術能用于鉭(尤其是鉭坩堝)的表面改性，提高其抗氧化、抗熔體腐蝕性能。