钢表面化学气相沉积钽涂层的研究

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1984.02.011 北京铜铁学院学报 1984年第2期 钢表面化学气相沉积钽涂层的研究 稀有金属教研室 卢燕平 张长鑫 赵海滨韩文礼 摘 要 本文研究了Ta~C1,-H:体系在5钢表面化学气相沉积钽涂层工艺，讨论了组的沉积速度与温度、五氯化 钽和氢气压力之间的关系。本文还拒要介绍了用鱼相、x射线衍射和电子探针分析等方法测定涂层结构的研 究结果。腐蚀试验结果表明，涂层样品在37,7%HC1、63%H,S04介质中具有很高的抗蚀能力，其腐蚀速串 比未涂层的可降低2~3个数量级。 金属组以其耐蚀而著称，是一种很有发展前途的新型结构材料和较理想的耐蚀材 料[1门〔][3]。然而，钽作为一种卓越的耐蚀材料用作表面涂层，目前尚发展滞缓。本文 将着重论及45钢表面化学气相沉积钽防腐涂层的原理和工艺方法，同时对钽涂层的组织及 耐腐蚀性能进行了初步的探讨，以期试用于石油、化肥、化纤等化学工业部门。 一、基本原理 在45钢上化学气相沉积但防腐涂层是采用将金属但先氯化再用氢还原的方法，其反应 为： gTa+Cz=号TaCl,(g) (1) 号TaC,+H,=2Ta+2HCl (2) 5 这种方法在热力学上是否可行，则可应用 “最小自由能原理”进行讨论。 10 TaCls 对于氯化反应（1)，由热力学计算 TaCl. CrCl NiClz 知〔4]，在800°C温度下，其反应自由能 -20 CrCl, 变化值为-25.6千卡，即△Z°r<0,反应平 FeCl FeCl: 衡常数K则为1.69×10‘。此数值表明， =30 TaCl: 钽的氯化反应在800°C(1073K)温度下 =40 是可以进行的。 300 500700900110013001500 温度，K 对于五氯化钽还原反应(2)则可根 图1几种氯化物自由能与温度的关系 据文献[5]的数据绘制出有关氯化物的 118

北 京 桐 铁 学 院 学 报 年 第 期 钢表面化学气相沉积担涂层的研究 稀有金属教研 室 卢燕平 赵海滨 张长鑫 韩文礼 摘 要 本文研究了 一 一 体系在 钢表面化学气相沉 积担涂层工艺 ， 讨论了担的 沉积速度与温度 、 五抓化 祖和氢气压力之间 的关系 。 本文还扼 要介绍 了用 金相 、 射线衍射和 电子探针分析等 方法测定涂层结构 的 研 究结果 。 腐蚀试验结果表明 ， 涂层 样品在 、 “ ‘ 介质中具有很高的抗蚀能力 ， 其腐蚀速 率 比 未涂层 的可降低 个数 级 。 金属祖 以其耐蚀而著称 ， 是 一种很有发展前途的新型结构材料 和 较 理 想 的 耐 蚀 材 料 〔 ’ 〕 〔 〕 ” 〕 。 然而 ， 担作为一种卓越 的耐蚀材料用作表面涂层 ， 目前尚发展 滞缓 。 本 文 将着重论及 钢表面化学气相沉积祖 防腐涂层 的原理 和工艺方法 ， 同时对担涂层的组织及 耐腐蚀性能进行了初步的探讨 ， 以期试用于石油 、 化肥 、 化纤等化学工业部门 。 一 、 墓 本 原 理 在 钢上化学气相沉积担 防腐涂层是采用 将金属钮先氯化再用 氢还原的方法 ， 其反应 为 了、 二臼，、夕、户， ‘、矛 普 ’ 景 · ， “ ’ 号 ，， ” 兰 · 平帜、十饭城卜 气 一 一 户 ，渗着 图 彝 几 ‘ 种抓化 温 物 度 自 ， 炸 由能与温度的关系 这种方法在热力学上是否 可行 ， 则可应用 “ 最小 自由能原理 ” 进行讨论 。 对 于氯化反应 ， 由热力学计算 知 ’ 〕 ， 在 温度下 ， 其反应 自由能 变化值为一 。 千卡 ， 即△ 。 了 ， 反应平 衡常数 则为 ‘ 。 此数值 表 明 ， 担的氯化反应 在 温度下 是可 以进行的 。 对于五氛化担还原反应 则可根 据文献 〔 〕 的数据绘制出有关氯化 物 的 滚 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1984．02．011

△Zr°-T关系图米考察。从图1可清楚地看到： (1)当还原温度在300K以上时，钽的氯化物可以被氢气逐渐逐级还原，从高价到低 价，最后还原为金属钽。 (2)当还原温度超过1150K以上时，五氯化钽能被氢还原为金属钽，低价的氯化物不 存在。 (3)随着温度的升高，氯化氢的生成自由能与五氯化钽生成自由能的差值愈负。这表 明，提高温度时对五氯化钽的还原是有利的。 从上述热力学分析说明，在一定的温度下，钢上化学气相沉积钽的氯化一还原反应是 可能发生的。据此，本试验选择氯化温度为800°C(1073K),还原温度为900一1100°C (1173~1373K)。 二、工艺方法 1.工艺装置 设计与选择化学气相沉积工艺装置时，必 自 须考虑以下几个方面：(1)能将各种反应气 10 体输入反应室，并能进行测量与控制：(2)对 反应室加热，使温度进行自动调节，（3)从 钽块 反应室的沉积区，将反应废气不断地排出，以 尾气 保证沉积反应能均匀连续地进行。本试验采用 了W.B.Bryant提出的常压氯化一还原联合装 置，如图2所示。这种装置就操作而言较为复 图2化学气相沉积钽的试验装置 1.氯气，2.氢气，3.氢气g4,5.净化器，6， 杂，技术设备条件要求高，但在沉积过程中， 7,8.流量计，9。试样（工件），10.反应室，11.氯 工艺条件稳定，反应容易控制。它克服了传统 化器，12.冶凝器。 的氯化物蒸发一还原装置中的弱点，即由于氯化物容易吸水而造成的涂覆困难。 2。工艺要点 (1)脱脂除锈采用一般除油、除锈方法对45钢试样（中10×3毫米）进行处理，要 求除油、除锈必须彻底，否则涂层容易脱落。 (2)原料成分试验用金属为废阳极块，其纯度高，杂质少。使用的氢气、氯气、 氩气均须经过净化除去其中的H2O及O2,以防止基体或涂层的氧化。 (3)操作程序为了保证反应室内没有氧化性气氛，使沉积反应顺利进行。工作装入 反应室后要严格密封，先排气使真空度达到5~10mmHg柱（保持时间为5分钟），然后 用氩气冲洗反应室并冲入氢气。随后通电加热使温度达到所给定的温度，此时再通入定量 的氯气、氢气和氩气，其总流量为200毫升/分。经保温30分钟后停止供给氯气和氢气， 并充氩使反应器内维持正压，随即切断电源降温，待冷至150°C以下时，即可打开反应室 取出工件，并及时清除残留衣工件表面上的氯化物。 119

△ 。 一 关系 图来考察 。 从 图 可 清楚地看到 当还原温度在 以上 时 ， 担的氯化物可 以被氢气逐渐逐级还原 ， 从高价 到 低 价 ， 最后还 原为金属担 。 当还 原温度 超过 以上 时 ， 五氯化担能被氢还原为金属祖 ， 低价的氛化物不 存在 。 随着 温度 的升高 ， 氯化氢的生成 自由能与五氯化担生成 自由能的差值愈负 。 这表 明 ， 提高温度 时对五 氯化担的还原是有利的 。 从上述 热力学分析说明 ， 在一定的温度下 ， 钢上化学气相沉积担的抓化一还原反应是 可能发 生 的 。 据此 ， 本试验选择氯化温 度 为 ， 还原温度为 一 。 二 、 工 艺 方 法 护 工艺装里 设计与选择化学气相沉积工艺装置时 ， 必 须考虑 以下 几 个方 面 能将各种 反 应气 体 输 入 反 应 室 ，并能进 行测量与控制， 对 反应室加热 ， 使温度进行 自动调节， 从 反应室 的沉积 区 ， 将 反应废气不断地排出 ， 以 保证沉积反应 能均匀连 续地进行 。 本试验采用 了 提 出的常压氯化一还原联合装 置 ， 如 图 所示 。 这种装置就操作而言较为复 杂 ， 技术设 备条件要求高 ， 但在沉积过程中 ， 工艺条件稳定 ， 反应容易控制 。 它克服了传统 尾气 图 化学气相沉积钮 的试验装宜 。 抓气， 。 妞气， 级气， ， 。 净化器， ， ， 。 流 计， 。 试样 工件 ， 。 反应室， 。 抓 化器， 。 冶扭器 。 尸 的抓化物蒸发一还 原 装置 中的弱点 ， 即 由于氯化物容易吸水而造成的涂夜困难 。 工艺要点 脱脂 除锈 采用一般 除油 、 除锈方法对 钢试样 中 毫米 进行 处 理 ， 要 求除油 、 除锈必 须彻 底 ， 否 则涂层容易脱落 。 原料成分 试 验用 金属担为废阳极块 ， 其纯度高 ， 杂质少 。 使用的氢气 、 抓气 、 氢气均须经过净化除去其 中的 及 ， 以防止基体或涂层 的氧化 。 操作程序 为 了保证反应室 内没有氧化性气氛 ， 使沉积反应顺利进行 。 工作装入 反应室 后要严格密封 ， 先排气使 真空度达到 柱 保持时间为 分钟 ， 然 后 用 氨气冲洗 反应 室并 冲入氢气 。 随后通 电加热使温度达到所 给定的温度 ， 此时再通入定 的氯气 、 氢气和氢气 ， 其总流量 为 毫升 分 。 经保温 分钟后停止供给氛气和组 气 ， 并充氢使 反应器 内维持正压 ， 随 即切断电源降温 ， 待冷至 以下 时 ， 即可打开 反应室 取出工 件 ， 并及 时清除残 留衣工件表面上的氯化 物 。 孑孕

3。工艺因素对钽况积速度的形响 影响：沉积速度的工艺因素主要是反应气体浓度和沉积温度（还原温度）。在本研究 中分别进行了不同氢气流量、氯气流量及温度的试验，从而得出它们和沉积速度的关系， 示于图3、4、5，与此曲线相对应的数据列于表1中。 表1化学气相沉积粗的速度实验值 沉 积 条 件 沉积速度 总流量 融， 得熹 H:流量 C1:流量 PTaC1s 时间 微米/分 (毫升/分) (毫升/分) (毫升/分) (大气压) (分) 200 1 1173 150 0.3750 15 0.0060 30 0.0590 200 1223 150 0.3750 15 0.0060 30 0.0990 200 1273 150 0.3750 15 0.0060 30 0.1580 200 1 1323 150 0.3750 15 0.0060 30 0.2272 200 1 1373 150 0.3750 15 0.0060 30 0.1700 200 1 1273 150 0.3750 15 0.0060 30 0.1583 200 1 1273 150 0.3750 2 0.0080 0.2030 200 1 1273 150 0.3750 25 0.0100 30 0.2360 200 1 1273 150 0.3750 30 0.0120 % 0.2508 200 1273 60 0.1500 15 0.0060 30 0.1905 200 1 1273 90 0.2250 15 0.0060 30 0.2173 200 1 1273 120 0.3000 0,0060 % 0.2432 200 1273 150 0.3750 15 0.0060 30 0.2738 11001150i000 图3表示金属钽的沉积速度与温度的 0.30r 50 900(℃) 关系。在1323K以下，钽的沉积速度随着 尔0.20 温度的升高而增大，至1323K达最大值， 米 随后呈直线下降。 研究认为，化学气相沉积反应一般是 0.10 爱 一个多相反应，即固一气相反应，故沉积 方程式可表示为： 0.05 V=kap 7.0 7.5 8.0 而 k=Koexp (-E/RT) 1/T×10*,K 图3沉积速度与温度的关系 oxp (Q/RT) a=- 式中： V一沉积速度， 女 一速度常数 a 一一吸附系数 P 一反应气体分压， K。一频率因子 E— 反应活化能， Q—一吸附热 120

工艺因素对担沉积速度的影响 影 响粗沉积速度的工 艺 因素主要是 反应气体浓度 和沉积温度 还 原温度 。 在本研究 中分别进行 了不 同氢气流量 、 氯气流量 及温度 的试 验 ， 从而 得 出它们和沉积速度的关系 ， 示 于 图 、 、 ， 与此 曲线相对应的数据列于 表 中 。 裹 化学气相沉积 担的速度实验值 沉 积 乡条 件 总流 奄升 分 总 压力 《大气压 温度 流盈 毫升 分 大气 压 流 量 毫升 分 。 大气压 时间 分 沉积速度 微米 分 。 。 。 。 。 了 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 山曰自， 八八”甘璐﹄﹃﹃ 八甘甘八︸ ，占， 孟工上山由几占， 勺﹄知，︸﹄ “甘︸︸︸︸ 尹 了 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 占立弓上，妞占心 ‘几通上‘ 勺﹄勺﹃︸”﹄甘甘﹄ 口甘品， 八娜甘﹃﹄ 了 。 ‘ 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 占人几 一 。 ‘ 从 …口卜「 卜 图 表示金属担的沉积速度与温度 的 关系 。 在 以下 ， 钮的沉积速度随着 温度 的升高而 增大 ， 至 达最大值 ， 随后呈直线下 降 。 · 研究认为 ， 化学气相沉积反应一般是 一个多相反应 ， 即固一气相反应 ， 故 沉积 方程式可 表示为 、拟兴饭 ‘ 侧划薄以 式 中 ‘ ， 图 沉积速度与温度的关系 －沉积速度， － 速度常数， － 吸 附系 数， － 反应气体分压， 。 一 频率因子， － 反应活化能 ， － 吸 附热， 而 一 ， 八 ’ ” 、 一 二异。 了 、 一 ‘ 一 、 一

R一气体常数； T一温度。 可见低于1323K时，温度的升高对于钽的沉积速度常数K值的增大超过吸附系数a值 的减小。相反，高于1323K时，随着温度升高，K值的增大则小于a值的迅速减小，这就表 明高温下但的沉积速度迅速降低。这是因为温度的变化，反应物质的吸附热Q值超过了活 化能E值，使视活化能Ea(Ea=E-Q)变为负值之故。 从图4看出，在一定条件下，当TaCl5 0.35 分压低于0.011大气压时，金属钽沉积速度随 尔0.03 气相中TaCls浓度的增加而增大，当TaCl5 采 分压高于0.011大气压时，但的沉积速度增 留 加缀慢，其数值大小趋于某一恒定的极限。 这种情况完全符合多相吸附一催化反应的 0.20 只 特征，与朗格谬尔吸附等温式相一致6，即 0.15 0=ap 0.0080.010 0.015 或 V=k-ap 0.005 】+ap 1 ap PraG15,大气F 式中日表示固体表面被气体分子吸附的分数 图5沉积速度与TaC1,分压的关系 (即表面覆盖度)，其他符号含又如前所述。 当TaC15分压小于0.011大气压时，ap《1,即试样表面覆盖度0与分压成正比。这表 035 明钽的沉积速度与TaCl5分压呈线性关系。 当TaC15分压超过0.011大气压时，ap>1,即 0.30 米 表而覆盖度0为最大值。表明沉积速度与TaC1s分 压无关，故在图上出现水平线。 由图5看出，在一定条件下，但的沉积速度随 0.203 H2分压的增加而增大，但增加得比较缓慢，不如 TaCl5分压对沉积速度的影响来得大（图4）。这 0.15 .15 9.2u 0.30 0.40 P,大气压 是因为但的沉积速度与P孟·P高，成正比，其中对 图5沉积速度与H,分压的关系 氢气分压来说是2级，但对五氯化但来说是+级[7。 所以，在气体分压相同的情况下，五氯化钽分压对沉积速度影响较大。 三、涂层的组织和耐腐蚀性能 1。涂层的组织 化学气沉积但后的试样经抛光腐蚀之后，可看到涂层为一不受腐蚀的白亮带，在涂 层与基休的界而上存在一多孔的边界层。估计这是由于钢基表面附着的污染物质及碳一组 高温互扩散的特点所致！]。而有关这方面的研究工作尚待进一步研究。 由x射线衍射结果表明（图7），沉积样品表层以但为主，并含有一定量的FesTa, 121

卜 －气体常数 － 温度 。 可见 低于 时 ， 温度的升高对于担 的沉积 速度常数 值的增大超过吸 附系 数 值 的减小 。 相 反 ， 高于 时 ， 随着温度 升 高 ， 值 的增大则小于 值的迅速减小 ， 这就 表 明高温下 钮 的沉 积 速度迅 速 降低 。 这是 因为温度 的变 化 ， 反应 物质的吸 附热 值超过 了活 化能 值 ， 使视活 化能 一 变 为负值之故 。 、东兴根 ‘ 恻澎暇 卜 从 图 看 出 ， 在一定条件下 ， 当 分 压低于 大气压时 ， 金属钮沉积速度随 气相 中 浓 度 的增加而增大 当 、 分 压高于。 大气压时 ， 但 的沉积速 度 增 加缓慢 ， 其数值大小趋于某一恒定 的极 限 。 这种情况 完全 符合多相吸 附－ 催 化 反应 的 特征 ， 与 朗格谬 尔吸 附等温式相一致 二“ 二， 即 一 旦卫 旦 ‘ 训 穿 十 式中 表示 固体 表面被气体分子 吸 附的分 数 即表面覆盖度 ， 其他符号含又如前所述 。 当 分 压小于 大气压时 ， 《 ， ， 。 。 ， 大气环 售 沉积速度与 。 分压的关系 即试 样表面筱盖度 与分 压成正 比 。 这 表 书 ， 扩 一匕 奋产尸 周 】 扭 习 ﹄尸‘ ， ， 大气压 图 沉积速度与 分压的关系 明担的沉积速度与 。 分 压呈 线性关系 。 当 分 压超过 。 大气 压 时 ， 》 ， 即 表面 覆盖度 为最大值 。 表明沉积 速度与 几分 压无 关 ， 故在 图上 出现 水平线 。 由图 看 出 ， 在一 定条件下 ， 钮 的沉 积速度随 分 压的增加而 增大 ， 但增加 得 比 较缓 慢 ， 不 如 分 压 对 沉 积速 度 的影响来得大 图 。 这 是 因为但 的沉积速度 与 流 · 赢 ，成正 比 ， 其中对 二 、 、 一 … ‘ 氢气分 压来说是言级 ， 但对五 氯化担来说是士级〔门 。 所 以 ， 在气体分 压相 同的情况 下 ，五氯化担分 压对沉 积速度影 响较大 。 三 、 涂层的组织和耐腐蚀性能 。 涂层 的组织 化学气相沉 积 担 后 的试样经抛光 腐蚀之后 ， 可看到涂层 为 一不受腐蚀的 白亮带 ， 在涂 层 与基体的界 而上 存在一 多孔 的边界层 。 估计这是 由于钢基 表面 附着的污染物质及碳一祖 商温互扩散的特 点所致 “ 〕 。 而 有关这方 面的研究工作 尚待进 一 步研究 。 由 射线衍射结果 表明 图 ， 沉 积样品 表层 以担 为主 ， 并含有一 定 量 的

和少量的TaC。这在涂层的电子探针分析试验中（图8）得到了证实。电子探针线扫描分 析结果表明，随着涂层厚度的增加，金属粗越来越富集，其含量高达90%以上。同时发 现，铁元素从基体往外扩散，与钽生成了金属间化合物。这和上述x射线衍射结果相符。 图645钢涂钽后的金相组织×500 (沉积条件，1000C,H,C1:=10:1) 衍射线强度 (1.1140)Ta,TaC 8.0 基作一 A. (1.1946)Ta Ta (1.2876)Ta,TaC 75.6 -(1.3015)Ta (i.3451)Ta,Fe;Ta:,TaC .3950)Ta1.37667 (1.5376)T4 -(1.5770)Ta,TaC (1.8065)Ta -(1.9217)Fe.Ta, 24.7 三9Ta,Fe,Ta1 (2.1i65)J (2.4594Ta 径36Ta,PeTa, Ta 036539Ta(2.5758)TaC Fe (2.8847)Fe,Ta, 治距注益米 图？沉积样品表层的X射线衍射图 图8钽涂层中Ta、Fe元素的分布曲线 (沉积条件：1000"C,H::C1:=10:1) (沉积条件：1000℃，H::Cl2=10:1) 2。涂层的耐腐做性能 为了检测涂层的耐腐蚀性能，将沉积样品侵入盐酸、硫酸介质中进行腐蚀试验，其结 果列于表2中。 从表中腐蚀试验数据可以看到，涂钽样品无论是在盐酸中，还是在硫酸中都显示出很 高的化学稳定性。但在盐酸溶液中腐蚀速度稍微大一些，这可能是氯离子穿透力强的关 系。与未涂钽的样品(45钢)相比，涂钽样品的腐蚀速度比未涂但的可降低2~3个数量 级，这和文献[9]的实验很接近。 另外发现，随着温度的升高，涂钽样品的耐蚀性也愈加显著。其中在950~1050°C (1223~1323°K)沉积温度下所获得的涂钽样品，腐蚀速度均小于1毫米/年。因此这 种涂层用于化工某些部门是完全可能的[1]。有关这方面的研究工作尚在深入进行。 122

和少量的 。 这在涂层的电子探针分析试验中 图 得到了证 实 。 电子探针线扫描分 析结果表明 ， 随着涂层厚度 的增加 ， 金属担越来越富集 ， 其含量 高达 以 上 。 同 时 发 现 ， 铁元素从基体往外扩散 ， 与担生成 了金属 间化合物 。 这和上述 射线衍射结果相符 。 月 图 钢涂钮后的金相组织 沉 积条件 ‘ ， 衍射线强度 ‘ 一， ‘ 几非共 幼舞书 津 ‘ 和剔嘱 ， ， ‘。 丝车丝品 尸 。 ，， 刃 ’ ， 口，‘月 一 。 卜一 魂 月 ， 一 图 沉积样品表层的 射线衍射图 沉积条件 ， 图 钮涂层 中 、 元素的分布曲线 沉积 条件 ， 涂层的附启蚀性能 为了检测涂层的耐腐蚀性能 ， 将沉积样品侵入盐酸 、 硫酸介质 中进行 腐蚀试 验 ， 其结 果列于表 中 。 从表中腐蚀试 验数据可 以看到 ， 涂担样品无论是在盐酸中 ， 还是 在硫酸 中都显 示 出很 高的化学稳定性 。 但在盐酸溶液中腐蚀速度稍微大一 些 ， 这可 能是氯离子穿透 力 强 的 关 系 。 与未涂钮的样品 钢 相 比 ， 涂担样品的腐蚀速度 比未涂担的可 降低 个 数 量 级 ， 这和文献 幻 的实验很接近 。 另外发现 ， 随着温度 的升高 ， 涂担样品的耐蚀性也愈 加显 著 。 其 中 在 沉积温度下所获 得的涂担样品 ， 腐蚀速度 均小于 毫米 年 。 因 此 这 种涂层用于化工某些部门是完全可能的〔 ‘ “ 〕 。 有关这方面 的研究工作 尚在深 入进行 。 才