210875198_石墨表面TaC_涂层的熔盐法制备及表征

第52卷第2期表面技术
2023年2月SURFACE TECHNOLOGY·297·
石墨表面TaC涂层的熔盐法制备及表征
董天下1，孟凡桂1，陈红梅2,3，张九阳4，高超4，王宗玉4
（1.中南林业科技大学 材料科学与工程学院，长沙 410004；2.湖南人文科技学院 精细陶瓷与粉体材料湖南省重点实验室，湖南 娄底 417000；3.湖南涉外经济学院，长沙 410205；
4.山东天岳先进科技股份有限公司，济南 250000）
摘要：目的以K2TaF7和Ta粉为主要原料，在石墨材料表面制备TaC涂层。

方法反应物在1 200 ℃的熔盐体系中保温3 h，反应生成碳化物，经后续2 300 ℃真空保温1 h后，得到TaC涂层材料。

采用XRD和SEM对涂层的组成结构进行表征，采用拉开法对涂层的和石墨基体的结合强度进行测量，采用纳米压痕对涂层的硬度和弹性模量进表征，最后对TaC涂层的抗腐蚀性能进行模拟测试评估和实际的SiC 长晶测试。

结果熔盐法制备的TaC涂层连续地覆盖在石墨表面，保持了原始石墨的形貌，其物相组成为TaC，呈现出亮黄色，厚度为20~40 μm，涂层的晶粒无择优取向生长，呈现出无序堆积的状态。

TaC 涂层与石墨基体的结合强度为9.49 MPa，硬度和弹性模量分别为14.42 GPa和123.32 GPa。

TaC涂层样品于2 300 ℃的SiC腐蚀气氛环境下保温3 h，质量损失率仅为0.01 g/(m2·h)，远低于同测试条件下无涂层石墨样品的质量损失率4.67 g/(m2·h)。

在2 300 ℃氩气气氛下保温3 h的SiC粉包埋TaC涂层的接触腐蚀试验中，SiC和TaC涂层的界面清晰，没有发生相互的扩散。

TaC涂层部件应用于2 000 ℃以上保温150 h以上的SiC单晶的生长制备后，涂层部件总体形貌保持完整，部件边缘棱角区域出现了脱落，但其他部位的TaC涂层仍和基体结合良好，涂层在长晶过程中的质量损失率约为0.41 g/(m2·h)，表现出良好的抗腐蚀性能。

结论熔盐法制备石墨表面TaC涂层的工艺简单、成本低、效率高，可制备曲面等不规则的构件。

制备的TaC涂层晶粒堆积紧密，没有发生择优取向，与石墨基体的结合强度高，在侵蚀性的环境中，能减弱侵蚀性气体对石墨基体的侵蚀，有望在第三代半导体的制备中得到应用。

本研究不仅提供了一种在石墨基体上制备TaC抗腐蚀涂层的方法，也提供了一种在其他碳材料上制备TaC涂层的方法。

关键词：熔盐法；高温热处理；石墨；TaC涂层；耐腐蚀性
中图分类号：TG174；TB304 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)02-0297-10
DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.02.028
Preparation and Characterization of TaC Coating on
Graphite via Molten Salt Method
DONG Tian-xia1, MENG Fan-gui1, CHEN Hong-mei2,3, ZHANG Jiu-yang4,
GAO Chao4, WANG Zong-yu4
收稿日期：2022–01–14；修订日期：2022–04–06
Received：2022-01-14；Revised：2022-04-06
作者简介：董天下（1996—），男，硕士研究生，主要研究方向为新型功能材料的耐腐蚀性能。

Biography：DONG Tian-xia (1996-), Male, Postgraduate, Research focus: corrosion resistance properties of new function materials.
通讯作者：孟凡桂（1977—），女，博士，副教授, 主要研究方向为功能陶瓷。

Corresponding author：MENG Fan-gui (1977-), Female, Doctor, Associate professor, Research focus: functional ceramic.
引文格式：董天下, 孟凡桂, 陈红梅, 等. 石墨表面TaC涂层的熔盐法制备及表征[J]. 表面技术, 2023, 52(2): 297-306.
DONG Tian-xia, MENG Fan-gui, CHEN Hong-mei, et al. Preparation and Characterization of TaC Coating on Graphite via Molten Salt Method [J]. Surface Technology, 2023, 52(2): 297-306.
·298·表面技术 2023年2月
(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology,
Changsha 410004, China; 2. Hunan Provincial Key Laboratory of Fine Ceramics and Powder Materials, Hunan University of Humanities, Science and Technology, Hunan Loudi 417000, China; 3. Hunan International Economics University,
Changsha 410205, China; 4. SICC Co., Ltd., Jinan 250000, China)
ABSTRACT: The work aims to prepare the TaC coating on the surface of graphite material with K2TaF7 and Ta powder as the main raw materials, which is of great value for reducing the preparation cost and improving the quality of third-generation semiconductors such as SiC, Gan, and AlN. TaC coating was synthesized on the surface of the graphite substrate by chemical reactions in molten salt at 1 200 ℃for 3 h followed by high-temperature heat treatment of vacuum at 2 300 ℃for 1 h. The phase composition and microstructure of the coating were characterized by XRD and SEM. The interface bonding strength between the TaC coating and the graphite substrate was measured by the pull-off method. The hardness and elastic modulus of the coating were characterized by nanoindentation. Finally, the corrosion resistance of the TaC coating was evaluated under simulated conditions and the TaC coated graphite was applied to the SiC crystal growth. The TaC coating prepared via molten salt method continuously covered the surface of the graphite and the surface morphology of the TaC coating was consistent with that of the original graphite substrate, with a bright yellow color. The phase composition of the coating was TaC and the thickness of the coating was about 20-40 μm. The TaC coating had a non-textured granular structure without preferred orientation growth. The interface bonding strength between the TaC coating and the graphite substrate was 9.49 MPa. The hardness and elastic modulus of the TaC coating were 14.42 GPa and 123.32 GPa, respectively. The mass loss rate was only
0.01 g/(m2·h) after the TaC coated graphite sample was kept at 2 300 ℃for 3 h in SiC corrosion environment, which was much
lower than that of uncoated graphite sample of 4.67 g/(m2·h) under the same test conditions. In the contact corrosion experiment with TaC coated graphite embedded by SiC powder at 2 300 ℃argon for 3 h, the interface between SiC and TaC coating was clear and there was no mutual diffusion. After the TaC coated graphite was applied to the growth of SiC single crystal held at a temperature above 2 000 ℃for more than 150 h, the overall morphology of the TaC coated graphite remained intact, and the edge corners of the TaC coated graphite peeled off. However, the TaC coating was still well combined with the graphite substrate elsewhere, and the mass loss rate of the TaC coated graphite was about 0.41 g/(m2·h), showing good corrosion resistance. The preparation process of TaC coating prepared on graphite surface by molten salt method is simple with low cost and high efficiency, and the TaC coating can be prepared on the surface of irregular components with complex shapes. The TaC coating grains are densely packed without preferential orientation, and the bonding strength with the graphite matrix is high, which can weaken the erosion of graphite substrate by aggressive gas in a corrosion environment. The TaC coated graphite prepared by molten salt method is expected to be applied in the preparation of the third generation semiconductor. This study provides a method for preparing TaC coating on not only the graphite substrate, but also other carbon materials.
KEY WORDS: molten salt method; high-temperature treatment; graphite; TaC coating; corrosion resistance
以SiC、GaN和AlN为代表的宽禁带半导体具有高频高效、耐高温高压等特性[1-4]，在新一代5G通讯、新能源汽车、激光器、光伏发电、半导体照明等领域具有广阔的应用前景[5-7]。

对宽禁带半导体的应用来说，重要的一点就是它的质量和成本，其仍然因缺乏适合高温腐蚀生长工艺的坩埚或加热材料而受到影响。

传统的材料（如石墨、SiC涂层和热解BN涂层材料）在一些气象生长条件下，会被腐蚀破坏，使得设备的使用寿命缩短，制备的晶体质量下降，成本增加[8-11]。

因此，有必要寻找一种热稳定性好、化学性质不活泼、适合严酷的晶体生长环境的材料。

TaC是一种难熔金属碳化物，熔点高达3 880 ℃，化学性质稳定、耐蚀、耐热冲击，在三氮族半导体和SiC晶体的生长过程中具有很好的稳定性，是适合制备半导体的优异材料[12-13]，但是TaC陶瓷因其本身硬度和脆性大，难以加工成复杂形状构件[14-15]。

渗碳法和CVD制备的TaC涂层构件，因为本身的成本和实际应用效果，表现出局限性。

渗碳制备的构件，质量较原来会增加，体积也会膨胀，导致晶粒粗大，材料易脆[16-17]。

CVD制备的TaC涂层，易因涂层和基体的热膨胀系数差异导致的热应力而开裂[15]。

Nakamura 等[18-19]采用料浆烧结法将TaC粉末、有机溶剂、粘结剂和烧结助剂混合调成料浆，然后将得到的料浆采用涂刷法或者喷涂的方法涂覆于石墨基体表面，经高温热处理制得致密的TaC涂层材料。

在实际长晶测试中，该TaC涂层表现出了较好的性能，但由于制备过程中加入了烧结助剂，所以TaC涂层中会有少量杂质元素的残留，可能会对生长的晶体造成影响，且考虑
第52卷 第2期
董天下，等：石墨表面TaC 涂层的熔盐法制备及表征 ·299·
到制备复杂形状的构件时，喷涂或涂刷形成均一厚度的涂层难度较大。

本文采用熔盐法制备TaC 涂层，该工艺可在复杂形状的石墨构件上制备TaC 涂层。

熔盐法具有工艺简单、对原料没有特殊的要求、所需的设备投资少、对反应的环境也没有其他方法苛刻等优点，生产成本低，原料易得[20-22]，且由于涂层和基体是反应结合，提高了涂层和基体的结合力。

1 试验
1.1 原料
试验所用石墨采购于成都阿泰克特种石墨有限公司；K 2TaF 7（纯度为99.7%）采购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；金属钽粉（纯度为99.995%）采购于宁夏东方钽业股份有限公司；分析纯NaCl 和KCl 均采购于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 TaC 涂层的制备
按照K 2TaF 7和金属钽粉的物质的量之比1︰3称量后，混合均匀。

将NaCl/KCl 按物质的量之比1︰1称量后，用研钵研磨混合均匀，得到混合盐，在400 ℃干燥3 h ，除去盐中的水分。

按照反应物（K 2TaF 7和金属钽粉）和混合盐的质量比1︰5称量，研磨混合均匀后，倒入TaC 涂层坩埚中，将准备好的石墨基体包埋在反应混合物中，将TaC 涂层坩埚放置在高温炉中，在流动氩气气氛下于1 200 ℃保温3 h ，随炉自然冷却至室温，得到TaC 预涂层。

将TaC 预涂层用流水冲洗数次，并用沸水煮数次，以除去残留的盐，80 ℃下干燥3 h 后，放入感应炉中，在真空条件下于2 300 ℃保温1 h ，随炉自然冷却至室温，得到TaC 涂层材料。

1.3 性能表征
1.3.1 TaC 涂层的组成和微观形貌表征
采用扫描电子显微镜（TESCAN MIRA3）观察样品表面和截面的微观结构形貌。

采用XRD （D8 ADVANCE ，Bruker ，Germany ）Cu 靶K α射线测定涂层的物相组成，并计算涂层晶粒的织构系数。

TaC 涂层晶粒的择优取向情况可以用织构系数来表征[23-24]，织构系数T hkl 可以用式（1）计算。

101i hkl n i i I I T I n I ==∑
(1)
式中：I i 为试验所测的TaC 涂层晶面的衍射峰强度；I 0为JADE 卡片标准谱图中该晶面的衍射峰强度；n 为衍射峰的个数。

1.3.2 TaC 涂层的力学性能测试
按照GB/T 5210—2006，采用拉开法测试TaC 涂层与基体的结合强度。

试柱直径为20 mm ，样品为ϕ30 mm 的圆片，利用环氧类粘结剂将涂层与金属试柱对正粘牢。

然后在CSC-1101型电子万能试验机上进行拉伸试验，以1 mm/min 的加载速率进行试验，记录荷载–位移曲线。

界面结合强度计算公式为：
F A
σ= (2)
式中：σ为TaC 涂层与石墨基体的结合强度，MPa ；F 为拉开涂层的最大荷载，N ；A 为涂层与基
体的粘结面积，mm 2。

在室温下采用纳米压痕仪（NHT3，Anton Paar TriTec ）表征TaC 涂层的硬度和弹性模量，选用Berkovich 压头在连续刚度测试模式下对样品进行测量，加载和卸载速率为600 mN/min ，保载时间为10 s ，最大压入深度为300 nm 。

在样品的10个不同位置进行测试，为避免测试点之间的影响，测试点之间的距离至少为压痕深度的20倍以上，以提高测试的准确性。

利用Oliver 和Pharr 方法计算材料的硬度和弹性模量。

硬度H 和弹性模量E 的计算公式分别为：
max P
H A
= (3)
i
r i 111v v E E E --=+
(4) r E =
(5)
式中：P max 为最大载荷；A 为相应载荷下接触投影面积；E r 和E i 分别为材料和压头的约化模量和弹性模量；v 和v i 分别为材料和压头的泊松比；S 为接触刚度；β为与压头几何形状相关的常数。

Weibull
分布常被广泛应用于可靠性分析和评估[25-26]，
采用两参数的Weibull 分布函数统计分析TaC 涂层的纳米压痕测试结果，分布函数为：
01exp m x p x ⎡⎤
⎛⎫⎢⎥=-- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦
(6)
将式（6）两次取对数变换为：
()01ln ln ln ln 1m x x p ⎡⎤⎛⎫=-⎢⎥ ⎪-⎝
⎭⎣⎦
(7) 式中：p =(i －0.5)/n ；x 为变量；x 0为特征值；m 为Weibull 分布模数，m 越大，数据的分散性越小。

以ln x 为x 轴，ln{ln[1/(1－p )]}为y 轴，其中x 值按从小到大的顺序排列，用最小二乘法进行拟合处理，通过拟合图形的斜率和截距可以求出Weibull 模数m 和特征值x 0。

1.3.3 TaC 涂层的抗腐蚀性能测试
将涂层置于真空感应炉中进行抗高温化学腐蚀测
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表 面 技 术 2023年2月
试。

将适量SiC 粉末平铺在TaC 涂层表面，在2 300 ℃、Ar 气条件下保温3 h ，以保证涂层上面的粉末全部升华。

取一个没有涂层的石墨片做对照试验。

采用质量损失率η来表征材料的抗腐蚀性能[9]，计算公式为：
1
2
m m t s
η-=⨯ (8) 式中：η为质量损失率，g/(m 2·h)；m 1为测试前样品的质量，g ；m 2为测试后样品的质量，g ；t 为测试时间，h ；s 为测试样品的面积，m 2。

将TaC 涂层用足量的SiC 粉末包埋，以保证反应结束后仍有大量SiC 剩余，在2 300 ℃、Ar 气条件下保温3 h ，观察TaC 涂层和SiC 之间的界面[27]。

委托山东天岳科技股份有限公司将TaC 涂层圆环应用于实际SiC 晶体的制备，工艺条件为2 000 ℃以上保温150 h ，其中有130 h 处于2 300 ℃以上，记录样品的质量损失率，评估分析涂层的抗腐蚀性能。

2 结果及分析
2.1 物相组成和微观结构
采用熔盐法制备的不同形状的TaC 涂层构件及涂层的XRD 谱图如图1所示。

可以看出，该工艺可
制备复杂形状的构件，成形自由度高。

从TaC 涂层的XRD 谱图中可以看出，2θ角分别为34.9°、40.5°、58.6°、70.0°、73.6°、87.5°附近的衍射峰，与面心立方相TaC （PDF#35-0801）的(111)、(200)、(220)、(311)、
(222)、(400)晶面相对应[28]
，峰形尖锐，表明TaC 的结晶度好。

文献[29-30]中报道，在熔盐介质中，K 2TaF 7会和金属钽粉发生反应，反应产物会和石墨基体中的C 结合，形成TaC ，反应方程式为：
22752Ta(metal)4F 3TaF 5TaF ---++→
(9)
22575TaF 2TaC(on substrate)4F 3TaF ---→++ (10)
分析反应方程式（9）、（10）可知，K 2TaF 7会和金属钽粉反应，生成不稳定的中间产物，不稳定的中间产物与石墨基体发生歧化反应，从而形成TaC 涂层。

涂层不同晶面衍射峰强度的比值可以说明TaC 晶粒是否存在择优取向。

在计算时n 取6，即(111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(400)6个晶面，计算结果见表1。

从表1中可以看出，与标准TaC 晶粒相比，采用熔盐法工艺制备的TaC 涂层，晶粒各晶面的织构系数在1左右波动，差别不明显，说明涂层晶粒没有发生择优取向生长，趋向于自由取向生长。

图1 TaC 涂层材料及其XRD 谱图
Fig.1 TaC coating material and XRD pattern: a) graphite with and without coating;
b) XRD pattern of TaC coating
表1 TaC 涂层晶面的织构系数 Tab.1 Texture coefficient of TaC coating T. C. of Crystalline plane
Sample
(111) (200) (220)
(311) (222)(400)TaC 0.998 1.083 1.091
1.074 0.856
0.899
TaC 涂层表面和截面的SEM 形貌如图2所示。

其中，图2a —c 分别为原始石墨表面和TaC 涂层的表面形貌，石墨表面凹凸不平，由许多石墨小颗粒组成，TaC 涂层表面形貌和石墨形貌一致，也呈现出凹凸不平状，涂层厚度为20~40 μm 。

TaC 由致密的晶粒组成，晶粒与晶粒之间连接紧密，晶粒尺寸较小，晶粒
呈出无规则排列，表面有裂纹，有凹坑。

结合截面SEM 形貌可以判断出，凹坑处并不是穿孔，而是由于石墨原始表面自身就有凹坑。

图2d —f 为TaC 涂层的截面SEM 形貌，可以看出，TaC 涂层与基体结合紧密，涂层向石墨基体内部扩散，形成梯度涂层。

这种扩散形成的梯度涂层一方面和基体形成了化学结合；另一方面，涂层向基体内渗入一定的深度，起到了一定的钉扎作用，增大了涂层与基体的界面结合力。

Nakamura 等[15]
采用烧结法制备的TaC 涂层和CVD 制备的TaC 的晶体结构如图3所示。

从图3a 中可以看出，采用料浆烧结法制备的TaC 涂层，晶体结构呈现无序堆积的状态，涂层即便因热应力或热震
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图2 原始石墨（a ）和TaC 涂层表面（b 、c ）和截面（d—f ）SEM 形貌
Fig.2 (a) Original graphite and (b, c) surface and (d-f) cross-section SEM images of the TaC coating
图3 料浆烧结TaC 涂层和CVD-TaC 涂层的晶体组织结构[15]
Fig.3 Structural models of the crystalline organization of (a) SinTaC coating and (b) CVD-TaC coating
而产生裂纹，裂纹也可能会在晶界处被钉扎或偏转，大大降低了贯穿性裂纹形成的可能，有效提高了涂层的可靠性。

通过对比可以发现，本文通过熔盐法制备的TC 涂层具有与烧结法制备的TaC 涂层相似的晶体组织结构。

结合前面的论述，虽然在涂层的截面SEM 形貌中没有发现贯穿性的裂纹，但不排除这种可能。

CVD-TaC 涂层的结构如图3b 所示，由于CVD-TaC 涂层制备工艺的原因，涂层是由有序的柱状晶排列而成，容易因热应力或热震沿晶界产生贯穿性裂纹，从而使涂层开裂失效。

2.2 力学性能
通过纳米压痕测试得到的TaC 涂层硬度和弹性模量10组数据的平均值分别为14.42 GPa 和 123.32 GPa 。

硬度值和文献中报道的接近，弹性模量值低于文献中的值[9]。

造成涂层弹性模量值较低的原因可能是因为涂层本身不平，且涂层本身存在裂纹，此外，与涂层的力学性能和基体的性质以及测试方法的不同也有一定的关系[31]。

用两参数Weibull 分布函数统计分析TaC 涂层的纳米压痕测试结果，评估测试结果的可靠性。

用最小二乘法拟合得到的TaC 涂层的硬度和弹性模量的Weibull 分布点如图4所示。

硬度H 的Weibull 模数m 1为24.61，
特征值x 1为14.73 GPa ；弹性模量E 的Weibull 模数m 2为4.51，特征值x 2为223.63 GPa 。

涂层要起到良好的作用，最基本的要求有：涂层的致密度高，对侵蚀介质的抗渗透性强，对腐蚀稳定以及和基体良好的界面结合强度。

其中，界面结合强度是涂层发挥保护作用的基础。

常用的测定界面结合
强度的方法有划痕法、划圈法、拉开法和划格法，其
中拉开法是常用的是一种较为简单的方法。

参照GB/T 5210—2006，采用拉拔式附着力测试仪，测试TaC 涂层和石墨基体的附着力。

拉开法测试后的涂层
试样和载荷–位移曲线如图5所示。

根据公式计算得到涂层与基体的界面结合强度为9.49 MPa ，与沈小松[9]用料浆烧结制备的TaC 涂层与石墨基体的结合力相
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表 面 技 术 2023年2月
图4 TaC 涂层硬度和弹性模量的Weibull 分布点
Fig.4 Weibull plots of (a) hardness and (b) elastic modulus of the TaC coating
图5 TaC 涂层拉开法测试的试样和载荷–位移曲线
Fig.5 (a) TaC sample subject to pull-off method and (b) loading-displacement curve
似，涂层和基体的结合力较大。

一方面是由于涂层和基体是反应结合，另一方面涂层扩散进入基体，起到了一定的机械铆钉作用。

2.3 抗腐蚀性能测试
AlN 和SiC 单晶常采用物理气相传输法进行制备，基本原理为原料在高温环境下（通常>2 200 ℃）
分解升华[32-33]，
在温度相对低的坩埚顶部结晶形成单晶，制备环境温度高，腐蚀性强。

TaC 涂层在这种严酷环境下的稳定性决定了涂层能否发挥作用以及制备单晶的质量。

TaC 涂层经SiC 气氛腐蚀测试示意图以及经测试后的XRD 谱图和涂层的表面和截面的SEM 形貌如图6所示。

结合图1b ，从XRD 谱图中可以看出，TaC 涂层经高温SiC 气氛腐蚀后，仍然呈现出典型的TaC 的峰。

腐蚀前的TaC 涂层衍射谱图中，(220)晶面的衍射峰要低于(200)晶面的衍射峰，经腐蚀后的TaC 衍射谱图中，(220)晶面的衍射峰要高于(200)晶面的衍射峰，说明TaC 涂层经高温腐蚀后，晶粒取向发生变化。

对比图2b —f 可以看出，TaC 涂层经过腐蚀后，表面宏观形貌基本无变化，微观形貌发生了变化，晶粒尺寸变大，出现台阶状纹理，棱角
更为明显。

TaC 涂层材料在抗腐蚀性测试过程中，质量损失率仅为0.01 g/(m 2·h)，而石墨的质量损失率却达到4.67 g/(m 2·h)。

SiC 粉末包埋TaC 涂层接触腐蚀试验示意图和试验后样品的截面SEM 形貌如图7所示。

原本粉末状的SiC ，试验后变为块状，SiC 和TaC 涂层之间的截面清晰，没有发生扩散，说明TaC 涂层在SiC 的腐蚀环境下具有很好的抗腐蚀性能[27]。

SiC 晶体的制备温度较高，制备环境具有强烈的腐蚀性，SiC 长晶示意图见图8。

TaC 涂层圆环在条件为2 000 ℃以上保温150 h 以上，其中有130 h 处于2 300 ℃以上，SiC 长晶前后的光学照片和长晶测试过后涂层表面和截面的SEM 形貌如图9所示。

从图9中可以看出，测试后的TaC 涂层部件总体形貌保持完整，部件边缘棱角区域出现了脱落，但其他部位的TaC 涂层仍和基体结合良好，涂层在长晶测试过程
中的质量损失率约为0.41 g/(m 2·h)，
和Nakamura 等[15]采用料浆烧结制备的TaC 涂层的质量损失率接近，表现出良好的抗腐蚀性能。

长晶测试后的涂层晶粒变大，晶粒呈现出球状，紧密融合在一起，表面凹坑深度加深。

凹坑的加深说明涂层经测试时出现了烧结收缩现象，凹陷底处的涂层更薄，成为测试时的薄弱环
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图6 SiC气氛腐蚀测试示意图及测试后的XRD和SEM形貌
Fig.6 Schematic diagram of (a) SiC atmosphere corrosion test and (b) XRD and (c, d) SEM images of TaC coating after the test
图7 SiC包埋腐蚀测试示意图及测试后的SEM形貌
Fig.7 Schematic diagram of (a) corrosion test of TaC coating embedded by
SiC and (b) SEM images of TaC coating after the test
图8 SiC 长晶示意图[18]
Fig.8 Schematic diagram of SiC crystal growth[18]
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表 面 技 术 2023年2月
图9 TaC 涂层样品在SiC 长晶前后的宏观照片和长晶后的表面和截面SEM 形貌
Fig.9 Macrostructure images of TaC coated graphite (a) before and (b) after SiC crystal growth and (c-d) surface and cross-section SEM images of TaC coated graphite after the SiC crystal growth test
节，易产生贯穿性裂纹，在SiC 的生长环境中为气体侵蚀基体提供了通道。

随着侵蚀的进行，导致石墨基体流失，在边角处侵蚀面增大，侵蚀更为剧烈，涂层更容易剥落。

侵蚀过程发生的主要反应[34-35]为：
2Si C(g)C(s)2SiC(s)+→ (11) 22C(s)Si(g)SiC (g)+→ (12) 2C(s)2Si(g)Si C(g)+→ (13) 熔盐法制备的石墨表面TaC 涂层在SiC 长晶测试中表现出良好的抗腐蚀性能，但也存在一定的问题。

涂层经长晶测试时出现烧结收缩现象，说明涂层本身在测试前还未达到稳定的状态，在高温下发生转变，导致缺陷的产生，从而使涂层剥落。

这与前面涂层经SiC 气氛腐蚀测试的XRD 变化一致，后续要对涂层的组织状态进行调整，以使涂层更加均匀，使涂层在测试前达到稳定的状态，保证在应用时发挥更优异的性能。

3 结论
1）在由NaCl 和KCl 组成的熔盐介质中，以
K 2TaF 7和金属钽粉为反应原料，以石墨材料为碳源和基体，先经熔盐反应后再经高温热处理可在石墨基体上制备TaC 涂层，涂层物相组成为纯的TaC 相，晶粒无择优取向，涂层整体均匀致密。

2）采用拉开法对涂层和基体间的界面结合强度进行了测量，测得的截面结合强度约为9.49 MPa 。

通过纳米压痕表征计算得到的TaC 涂层的硬度和弹性模量分别为14.42 GPa 和123.32 GPa 。

3）TaC 涂层材料在模拟腐蚀的环境中体现了较好的抗腐蚀性能，在实际的SiC 长晶后，TaC 涂层部件总体形貌保持完整，部件边缘棱角区域出现了脱
第52卷第2期董天下，等：石墨表面TaC涂层的熔盐法制备及表征·305·
落，但其他部位的TaC涂层仍和基体结合良好，涂层在过程中的质量损失率约为0.41 g/(m2·h)，表现出良好的抗腐蚀性能。

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责任编辑：万长清。