[发明专利]一种钽表面碳化改性的方法及其制备的产品

说明书

本发明公开了一种钽表面碳化改性的方法及其制备的产品，目的在于解决钽材料具有高熔点，现有的钽碳化表面改性技术工艺复杂，改性层组织不易控制等的问题。本发明在控制真空室内杂质状态的前提下，离化甲烷气体，在金属钽的表面通过碳离子束轰击引入碳元素，通过离子束轰击产生的热量加热帮助碳元素向金属钽内部扩散，在金属钽表面形成碳化物改性层，以增强金属钽表面的耐熔体腐蚀能力。本发明制备工艺简单，生产效率高，成本低廉，能够满足工业化大规模应用的需求。同时，本发明制备的产品具有较好的耐熔体腐蚀能力，值得大规模推广和应用。

技术领域

本发明涉及防腐蚀领域，尤其是钽表面防腐蚀领域，具体为一种钽表面碳化改性的方法及其制备的产品。

背景技术

钽及其合金作为一种耐高温、耐腐蚀的结构材料，被广泛应用于航空航天、核工业、化学工业、医疗、武器制造等高技术领域。基于钽良好的可加工性、出色的高温力学性能，其能耐受多种液态金属的腐蚀，因而常被用作高温坩埚材料，用于各种过渡金属和稀土合金的熔炼。

然而，钽在300℃以上时，其表面会加速氧化，使其耐腐蚀性能下降，导致熔体渗入钽坩埚的晶粒内部，使得钽在高温下与液态金属或杂质发生加速腐蚀行为，不仅使熔体受到污染，还使得坩埚耐用性下降。目前，已见报道的钽表面抗腐蚀改性方法主要包括：合金化、涂层、渗氮、渗碳等。其中，渗碳改性作为提高钽坩埚性能的一种重要途径，其在钽表面形成碳化物改性层，以抵抗氧化和熔体腐蚀，具有工艺简单、不影响基体性能的优点。

在金属材料的表面改性研究中，常用的渗碳改性方法包括：液体渗碳法、固体渗碳法、离子渗碳法等。其中，用于钽表面碳化改性的主要方法有如下两种：固体渗碳法、离子渗碳法。

固体渗碳法是指利用固态碳颗粒与金属钽在高温下发生扩散反应，在钽表面形成碳化物改性层，以提高金属钽的抗熔体腐蚀的能力。例如北京华进创威电子有限公司在中国申请的名称为《一种用于高温气相法晶体生长的TaC坩埚的制备方法》(公开号：CN103643305A)的发明中描述了一种钽坩埚表面碳化改性技术，该技术的原理是将钽坩埚埋于石墨粉中，通过加热是金属钽与石墨发生反应，从而在金属钽表面得到碳化物改性层。此类方法得到的碳化物改性层在一定程度上可提高金属钽的耐用性，但该方法工艺复杂，渗碳速度慢，碳化物改性层的组织结构在制备过程中可控性差。

离子渗碳法是利用气体离化产生的碳源与金属钽在一定温度下发生反应，形成钽碳化物改性层。例如，长崎工业技术中心的Baba等研究人员在《Nuclear Instruments andMethods in Physics Research B》(2007年，257卷，746–749页)介绍了使用浸没式等离子体渗碳的方法，将能量为15keV的碳原子注入金属钽表面，形成了一定厚度的碳化改性层。但对于金属钽来说，离子渗碳法改性表面需要解决的一个关键是钽高熔点的问题，低温下进行离子渗碳效率低，改性层生长速度慢，而且气体中的氢元素会残留在金属钽中；另外一方面，如果采用高温加热的方式，现有的制备方法往往只能采用外热源辅助加热的模式，该类设备构造复杂，设备费用昂贵。

钽渗碳过程中产生的碳化物主要为TaC与Ta₂C。钽表面渗碳后，碳含量由外到内逐渐降低，在表面形成Ta/Ta₂C/TaC的三层结构。TaC是一种常用的高温抗氧化涂层以及硬质合金添加物，具有高熔点、高硬度以及较好的高温强度，较好的耐腐蚀性和抗氧化性，但室温塑性较差。由于TaC热膨胀系数与Ta接近，二者可以获得耐热冲击的复合界面。Ta₂C的研究报道相对少见，有理论模拟研究指出，与TaC比较，Ta₂C强度较低，塑性较好，耐腐蚀性能较优。

目前，在金属钽表面的碳化改性技术已经发展得比较成熟，但是由于钽材料具有高熔点，现有的钽碳化表面改性技术工艺复杂，改性层组织不易控制等缺点。

为此，本发明提供一种工艺简便、杂质可控性强的钽表面碳化改性技术，该技术能用于钽(尤其是钽坩埚)的表面改性，提高其抗氧化、抗熔体腐蚀性能。