[發(fā)明專利]過渡金屬表面鹽浴碳化制備碳化物涂層的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211614575.3
• 申請日: 2022-12-13
• 公開（公告）號: CN115992338B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發(fā)明（設計）人: 汪的華;趙梅玉;梁仁和;尹華意;杜開發(fā)
• 申請（專利權）人: 武漢大學;北京精儀天和智能裝備有限公司
• 主分類號: C23C8/44
• 分類號: C23C8/44;C23C8/80
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 詹藝

本申請公開了過渡金屬表面鹽浴碳化制備碳化物涂層的方法。本方法采用氯化物熔融態(tài)熔鹽作為電解質，添加碳源，由于過渡金屬基體材料與碳化鈣與碳從熱力學方面均具有自發(fā)反應的優(yōu)勢條件，在碳勢的驅動下，僅在鹽浴浸泡狀態(tài)下就可發(fā)生碳化反應，獲得一種相對低溫、低成本，簡單高效的制備工藝方法。

技術領域

本申請涉及冶金的技術領域，尤其涉及過渡金屬表面鹽浴碳化制備碳化物涂層的方法。

背景技術

過渡金屬碳化物是一類具有很高的熔點、硬度、極高的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性，在室溫下幾乎耐各種化學腐蝕等特點的物質。此外，它還具有與母體金屬想類似的電、磁性質，正是這些性質使得它們被廣泛應用于各種耐高溫、耐摩擦和耐化學腐蝕等領域，機械切削、礦物開采，制造抗磨和高溫部件以及核反應堆等領域。有些還具有特殊的光、電、磁、超導、熱學、催化等性能，是一種極富潛力的非氧化物高溫結構材料、電子材料和催化新材料。

由于碳化物的廣泛應用，對碳化物的制備方法的研究也成了熱點。通過對國內外碳化物制備文獻的查閱，碳化物合成方法主要有高溫碳化法、機械合金化法、化學氣相沉積法、高溫自蔓延合成法和高溫熔鹽技術制備法。碳化合成在較低的溫度下，反應速率受到動力學不利的限制，并且會限制滲碳反應及滲碳層的厚度。而且在制備異型器件時，由于工藝方法的受限，均存在涂層不均勻及制備成本過高等問題。

發(fā)明內容

有鑒于此，本申請?zhí)峁┻^渡金屬表面鹽浴碳化制備碳化物涂層的方法，能夠克服現有技術存在的反應溫度高、反應不均，難以控制的問題。

本方法在具備高溫加熱，同時具備惰性氣體保護的加熱裝置中進行。金屬工件需要提前打磨拋光，有利于獲得滲碳后的致密度和光潔度，然后使用酒精或丙酮超聲波進行除油處理。使用無水氯化物無機鹽作為電解質，添加CaC₂作為碳源，保證充分溶解。金屬基底材料直接至于熔融電解質中，經過鹽浴浸泡處理進行碳化反應。

碳化過程首先為化學反應，2M+CaC₂＝2MC+Ca，熱力學計算是自發(fā)反應。隨著時間的持續(xù)，金屬與碳原子互擴散。由于碳勢的驅動力下，碳原子向金屬一側的擴散速度遠大于金屬向碳化物一側的擴散，整個過程表現為碳化物涂層逐漸增厚。由于是自發(fā)反應，類似于原電池過程，陽極發(fā)生氧化反應，C₂^2-失去電子生成碳原子，方程式如下：C₂^2--2e＝2C。陰極發(fā)生還原反應，Ca²⁺得到電子生成Ca單質，方程式如下：Ca²⁺+2e＝Ca。Ca單質在富碳環(huán)境中可能生成碳化鈣補充前面消耗的碳化鈣。

本方法的關鍵是保證碳化鈣的濃度保持穩(wěn)定，但是由于碳化鈣較為活潑，易于與氣氛中的微量的氧氣發(fā)生反應而消耗。常規(guī)的惰性氣氛難以保證無氧的環(huán)境，本發(fā)明為解決該問題，在反應器中添加海綿鈦，用于去除惰性氣氛中微量的氧氣。基于以上分析及實驗，創(chuàng)立了本發(fā)明創(chuàng)造。

制備碳化物涂層的方法

本方法包含以下步驟：

(1)將過渡金屬工件進行表面預處理；

(2)將熔鹽進行烘干的預處理；

(3)使經過預處理的熔鹽在添加碳源的條件下成為熔鹽態(tài)，得到熔融鹽；

(4)將所述過渡金屬工件浸漬在所述熔融鹽中，生成碳化物涂層；

(5)將所述過渡金屬工件依次實施先清洗再干燥的后處理。

過渡金屬工件

過渡金屬工件的金屬材質為Ta、W、Nb、Ti任意一種及任意幾種的金屬合金。

表面預處理