化学气相沉积ZrC涂层的缺陷形成机制及控制.pdf

第 2 3卷第 6期 、 ，0 1 2 3 No 6 中国有色金属学报 The Chi ne s e Jo ur nal o f No nf e rr ous M e t al s 2 0 1 3年 6月 J u n e 2 0l 3 文章编号：1 0 0 4 0 6 0 9 ( 2 0 1 3 ) 0 6 1 6 1 1 0 7 化学气相沉积 Z r C涂层的缺陷形成机制及控制 孙威 ，郝振华 ，熊翔 ，李小斌 ，李江鸿 ( 1 中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 4 1 0 0 8 3 ； 2 中南大学 冶金与环境学院，长沙 4 1 0 0 8 3 1 摘要：为减少化学气相沉积( C V D) Z r C涂层的缺陷，提高涂层的性能和使用寿命，深入分析化学气相沉积过程 中Z r C涂层的缺陷特征和形成机制，主要利用扫描电镜对 C VD Z r C涂层的表面和断口进行观察。结果表明： Z r C 涂层中存在的3类典型缺陷，即裂纹、片状脱落和 “ 蠕虫状”凸起，裂纹是在涂层生长过程或冷却过程中受到热 应力形成的。片状脱落发生在薄膜边缘应力集中的局部区域，慢速沉积可以有效消除网状缺陷和面缺陷，也可有 效抑制贯穿裂纹甚至片状剥落的出现；“ 蠕虫状”凸起形成于反应器进气 口易形成紊流场的位置，该凸起起到了 类似韧性相增韧和压应 力增 韧的双重效果 。 关键词：化学气相沉积；碳化锆涂层；形成机理；缺陷控制 中图分类号：T G 4 0 7 文献标志码：A Fo r m a t i o n m e c ha n i s m a n d c o nt r o l o f de f e c t s f o r Zr C c e r a mi c c o a t i ng s b y c he m i c a l v a po r de po s i t i o n S UN We i ， HAO Zh e n h u a ， XI ONG Xi a n g ， LI Xi a o b i n ， LI J i a n g h o n g ( 1 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f P o wd e r Me t a l l u r g y , C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f Me t a l l u r g i c a l a n d E n v i r o n me n t ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i ty , C h ang s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o r e d u c e the d e f e c t a n d i mp r o v e p r o p e r t i e s a n d s e r v i c e l i f e o f z i r c o n i u m c a r b i d e( Z r C) c o a t i n g s ， t h e f e a t u r e an d f o r mi n g me c h a n i s m o f d e f e c t f r o m c h e mi c a l v a p o r d e p o s i t i o n p r o c e s s we r e a n a l y z e d Z r C c o a t i n g s we r e p r e p a r e d o n c arb o n c a r b o n s u b s t r a t e u s i n g Zr C1 4 + C3 H6 + H2 + Ar s y s t e m T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h r e e t y p e s o f d e f e c t s ， s u c h a s c r a c k s ， e x fo l i a t i o n an d “ v e r mi c ul a r ” b u l g e s we r e s t u d i e d b y s u r f a c e a n d f r a c t u r e S EM i ma g e s Th e d e f e c t s c h ara c t e r i s t i c s a n d f o r ma t i o n me c h a n i s m o f d e f e c t s we r e a n a l y z e d Th e c r a c k s we r e i n d u c e d b y g r o wt h a n d t h e rm a l s tre s s T h e r e s u l t s s h o w t h a t e x fol i a t i o n a l wa y s t a k e p l a c e a t e d g e s o f s a mp l e s w h e r e t h e s tr e s s c o n c e n tr a t e s S l o w d e p o s i t i o n i s f a v o r a b l e t o the c o a t i n g d e f e c t s c o n tro l ， e s p e c i a l l y t o the p l a n e - d e f e c t s Ve rm i c u l a r b u l g e s t a k e p l a c e a t g a s i n l e t wh e r e t u r b u l e n t fl o w f o r ms ， wh i c h c a n i mp r o v e t h e t o u g h n e s s o f the c o a t i n g Ke y wo r d s ： c h e mi c a l v a p o r d e p o s i t i o n ； Z r C c o a t i n g ； f o rm a t i o n me c h a n i s m； d e f e c t c o n tro l 碳化锆( z r C ) 是一种过渡金属碳化物， 具有较为优 异的物理和化学性能，如高硬度、高熔点、良好的导 电性，较好的耐化学腐蚀和抗热冲击性能等。在各应 用领域中，Z r C陶瓷多以涂层或薄膜的形式存在并发 挥极为重要的作用。例如，可利用 Z r C薄膜的高硬度 进行刀具表面改性【 I ；由于 Z r C涂层的中子吸收截面 低和阻挡放射性裂变产物释放的能力强，Z r C涂层可 替代传统的 S i C涂层制备新型的包覆燃料颗粒【 2 】 ； Z r C 的溢出功仅为 3 5 e V，经 Z r C薄膜涂覆的 Mo 、W 尖 锥具有更高发射电流的能力p J 。近年来，Z r C 作为耐 烧蚀防护涂层开创性应用到某些轻质高强复合材料的 超高温防护体系中，如炭 炭复合材料【 4 。 基金项 目：国家重点基础研究发展计划资助项 目( 2 0 l 1 c B 6 O 5 8 O 5 ) ；中国博士后基金资助项 目( 2 0 1 1 0 4 9 1 2 6 2 ) 收稿 日期：2 0 1 2 0 9 1 8 ；修订日期：2 0 1 3 0 1 1 5 通信作者：孙威，助理研究员，博士；电话：0 7 3 1 8 8 8 3 0 3 6 3 ：E ma i l ： s u n we i ms e c s u e d u c a 第 2 3卷第 6期 孙威，等：化学气相沉积 Z r C涂层的缺陷形成机制及控制 1 61 7 【 9 【 1 O 1 2 】 Ma t e ri a l s Re s e a r c h ， 1 9 9 9 ， 1 4 ( 2 ) ： 6 1 5 6 1 8 WOO A J ， BO UR NE G C R ACI U M V Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f Z r C t h i n fi l ms g r o wn b y p u l s e d l a s e r d e p o s i t i o n J J o u r n a l o f O p t o e l e c t r o n i c s a n d Ad v anc e d Ma t e r i a l s ， 2 0 0 6 ， 8 ( 1 ) ： 2 0 2 3 吴锋，揭晓华 ， 陈玉明液中脉冲放 电沉积 Z r C陶瓷涂层 的 强化工艺及涂层性能 的研究 J 材料研究与应用，2 0 0 7 ，1 ( 1 ) ： 1 5 -1 8 W U F e n g ， J I E Xi a o h ua ， CHE N Y u- mi n g S t u d y o n the i n t e ns i t y p r o c e s s and t h e p e rfo r ma n c e o f t he Zr C c e r a mi c c o a t i n g wi th e l e c t r i c a l d i s c h a r g e i n the l i q u i d J Ma t e r i a l s R e s e a r c h and A p p l i c a t i o n ， 2 0 0 7 ， l ( 1 ) ： 1 5 1 8 KAZUHI RO S，SHOUHEI U，J UN APr e s e n t s t a tus o f Zr C c o a t e d f ue l p a r t i c l e d e v e l o p me n t f o r v e r y h i g h t e mp e r a t u r e r e a c t o r s i n J AE A J T r a n s a c t i o n s o f the Ame ri c an N u c l e ar S o c i e ty, 2 0 0 6 ， 9 4 ： 7 0 5 孟广耀化学气相 淀积 与无机新材料【 M】 北京：科学 出版社， 1 3 】 【 1 4 】 【 1 5 】 1 9 8 4： 1 2 3 -1 4 5 MENG Gu a n g y a oCh e mi c a l v a p o r d e p o s i t i o n an d n o v e l i n o r g a n i c ma t e ri a l s M B e ij i n g ： S c i e n c e P r e s s ， 1 9 8 4 ： 1 2 3 1 4 5 S UN W XI ONG X， HUANG B Y P r e pa r a t i o n o f Zr C n a n o - p a r t i c l e s r e i n f o r c e d a mo r p h o u s c arb o n c o mp o s i t e c o a t i n g b y a t mo s p h e r i c p r e s s u r e c h e mi c a l v a p o r d e p o s i t i o n J Ap p l i e d S urf a c e S c i e n c e ， 2 0 0 8 ， 2 5 5 ( 1 6 ) ： 7 1 4 2 7 1 4 6 Z HANGW Z ， Z E NG L E MUE LG XI O NGX， HUANGBY P r e p a r a t i o n and o x i d a t i o n p r o p e r t y o f Zr B2 - MoS i 2 S i C c o mi n g o n c arb o n c arb o n c o mp o s i t e s J T r a n s a c t i o n s o f No n f e r r o u s Me t a l s S o c i e ty o f C h i n a ， 2 0 1 1 ， 2 1 ： 1 5 8 3 1 5 4 4 HEL M AR V S ， CHRI SR K， HARRY E A Ont u r b ul e n tfl owsi n c o l d - wa l l CVD r e a c t o r s J J o u r n a l o f C r y s t a l Gr o wt h ， 2 0 0 0 ， 2 1 2 1 0 ( 编辑李 艳红)