KR100822303B1 - Manufacturing method of tasi2-si3n4 nanocomposite coating - Google Patents

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Abstract

A new TaSi2-Si3N4 nanocomposite coating layer formed on a surface of tantalum or tantalum alloys is provided to improve isothermal oxidation resistance and repeated oxidation resistance of the coating layer at high temperatures and improve mechanical properties of the coating layer at high temperatures, and a manufacturing method of the nanocomposite coating layer is provided. A manufacturing method of a TaSi2-Si3N4 nanocomposite coating layer comprises the steps of: (a) simultaneously vapor-depositing tantalum and nitrogen onto a surface of tantalum or tantalum alloys as a matrix to form a TaN coating layer on the surface of the matrix, and forming a Ta2N coating layer on the TaN coating layer; and (b) vapor-depositing silicon onto the surface of the tantalum nitride coating layer to form a TaSi2-(28.4-11.7) vol.% Si3N4 nanocomposite coating layer, wherein the nanocomposite coating layer is gradient structured such that the Si3N4 volume fraction of the nanocomposite coating layer is reduced as it goes from the matrix side to the surface side.

Description

TaSi₂―Si₃N₄ 나노 복합 피복층의 제조방법 {MANUFACTURING METHOD OF TaSi2―Si3N4 NANOCOMPOSITE COATING}Manufacturing Method of TASi₂-Si₃N₄ Nanocomposite Coating Layer {MANUFACTURING METHOD OF TASi2―Si3N4 NANOCOMPOSITE COATING}

도 1은 종래의 반응확산법에 의하여 탄탈륨 표면에 제조된 주상정 (columnar)조직을 가지는 TaSi2 피복층 단면의 광학현미경 조직사진이다.1 is an optical microscope photograph of a cross section of a TaSi 2 coating layer having a columnar structure prepared on a tantalum surface by a conventional reaction diffusion method.

도 2는 본 발명의 실시예 1에서 탄탈륨 표면에 형성된 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층 단면의 주사전자현미경 조직사진이다.Figure 2 is a scanning electron micrograph of the cross section of the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer formed on the tantalum surface in Example 1 of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예 1에서 탄탈륨 표면에 형성된 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층 단면의 투과전자현미경 조직사진이다.3 is a transmission electron micrograph of the cross section of the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer formed on the tantalum surface in Example 1 of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 80% Ar-20% O2 분위기하 1300℃와 1400℃에서 측정된 등온 내산화 특성을 나타낸 그래프이다.4 is TaSi 2 -Si 3 N 4 according to Example 1 of the present invention; It is a graph showing the isothermal oxidation resistance of the nanocomposite coating layer measured at 1300 ℃ and 1400 ℃ in 80% Ar-20% O 2 atmosphere.

도 5는 종래의 반응확산법에 의해 제조된 TaSi2 피복층을 사용하여 80% Ar-20% O2 분위기하 1300℃와 1400℃에서 측정된 등온 내산화 특성을 나타낸 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing isothermal oxidation resistance measured at 1300 ° C. and 1400 ° C. under an 80% Ar-20% O 2 atmosphere using a TaSi 2 coating layer prepared by a conventional reaction diffusion method.

본 발명은 고온 구조재로 사용되고 있는 탄탈륨 (Ta) 또는 탄탈륨 합금들의 표면에 형성된 내산화성과 내식성이 우수한 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer having excellent oxidation resistance and corrosion resistance formed on the surface of tantalum (Ta) or tantalum alloys used as a high temperature structural material, and a method of manufacturing the same.

탄탈륨 또는 탄탈륨 합금들은 염산, 질산, 황산 등과 같은 산성용액에서 내식성이 우수하여, 화학공업용 히터, 열교환기용 반응기 및 펌프의 임펠러 등의 소재로 사용되고 있으며, 고온 기계적, 열적 특성이 우수해 유리산업용 전극 및 우주-항공, 원자력용 고온 구조재로 활용되는 핵심 소재이나, 고온에서 산소와 반응하여 쉽게 탄탈륨 산화물 (Ta2O5)을 형성하며, 이 산화물을 통한 산소의 확산이 매우 빨라 Ta2O5 산화물은 탄탈륨 모재를 보호하기 위한 표면보호 산화피막으로 사용될 수 없기 때문에, 사용조건이 진공, 환원성, 혹은 불활성 분위기로 제한되는 큰 단점을 지니고 있다.Tantalum or tantalum alloys have excellent corrosion resistance in acidic solutions such as hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, etc., and are used as materials for heaters for chemical industries, reactors for heat exchangers, and impellers for pumps. space - reacts with oxygen in the core material or the high temperature utilized in aviation, high-temperature structural materials for nuclear power easily tantalum oxide (Ta 2 O 5) in the formation and diffusion of oxygen through the oxide much faster Ta 2 O 5 oxide Since it cannot be used as a surface protective oxide film for protecting a tantalum base material, the use condition has a big disadvantage of being limited to vacuum, reducing or inert atmosphere.

탄탈륨 또는 탄탈륨 합금들의 고온 내산화성을 개선하기 위해 합금원소를 첨가하면 고온 기계적 특성이 저하되기 때문에 고온 내산화성과 고온 기계적 특성이 우수한 탄탈륨 합금들은 현재까지 개발되지 못한 실정이다. 그러므로, 고온 내산화성이 우수한 탄탈륨 실리사이드 화합물 또는 알루미나이드 화합물 등을 탄탈륨 모재 표면에 피복처리하는 방법이 널리 사용되고 있다.The addition of alloying elements to improve the high temperature oxidation resistance of tantalum or tantalum alloys degrades the high temperature mechanical properties. Therefore, tantalum alloys having excellent high temperature oxidation resistance and high temperature mechanical properties have not been developed until now. Therefore, a method of coating a tantalum base material surface with a tantalum silicide compound or an aluminide compound having excellent high temperature oxidation resistance is widely used.

일반적으로 탄탈륨 합금에 고온 내산화성을 부여하기 위해서는 이 합금이 고 온의 산화성 분위기하에 노출되었을 때 산소와 반응하여 치밀한 산화물 피막을 형성할 수 있는 능력에 따라서 피복층의 성능은 결정되는데, 1000℃ 이상의 고온에서 안정한 산화물 피막은 Al2O3와 SiO2 등이 있다. 따라서, 탄탈륨 합금들의 표면 보호피막으로서 탄탈륨 알루미나이드 혹은 탄탈륨 실리사이드 조성의 피복층이 개발되고 있으나, 탄탈륨 합금의 사용온도가 점차 높아짐에 따라서 주로 탄탈륨 실리사이드 피복층의 내산화성 향상에 관해 많은 연구가 진행중이며, 크게 두 가지 문제점을 해결하는데 연구가 집중되고 있다. Generally, in order to give high temperature oxidation resistance to a tantalum alloy, the performance of the coating layer is determined by the ability of the alloy to react with oxygen to form a dense oxide film when exposed to a high temperature oxidizing atmosphere. Stable oxide films include Al 2 O 3 and SiO 2 . Therefore, a coating layer of tantalum aluminide or tantalum silicide composition has been developed as a surface protective film of tantalum alloys. However, as the use temperature of tantalum alloy is gradually increased, much research is being conducted on improving the oxidation resistance of the tantalum silicide coating layer. Research is focused on solving two problems.

첫째, TaSi2의 경우 고온에서 산소와 반응하여 각각 Ta2O5와 SiO2로 이루어진 복합 산화물층을 형성하게 되나, Ta2O5 산화물을 통한 산소의 확산이 매우 빠르기 때문에 상기 복합 산화물층이 빠르게 성장하여 쉽게 피복층으로부터 박리되기 때문에 고온에서 장시간 유지할 수 있는 등온 내산화성이 나쁘다.First, TaSi 2 reacts with oxygen at high temperature to form a composite oxide layer consisting of Ta 2 O 5 and SiO 2 , respectively, but Ta 2 O 5 Since the diffusion of oxygen through the oxide is very fast, the composite oxide layer grows quickly and easily peels off from the coating layer, so that isothermal oxidation resistance that can be maintained at high temperature for a long time is bad.

둘째, TaSi2 피복층을 고온에서 제조한 후 혹은 피복된 TaSi2를 고온에서 사용 후 상온으로 냉각시 모재의 열팽창계수(6.3 x 10-6/℃)와 피복층의 열팽창계수(8.9 x 10-6/℃)의 차이에 의해서 피복층 내에 도입된 크랙들 때문에 고온 반복 내산화성이 나쁜 문제점을 해결할 수 있는 새로운 피복층의 개발이 필요한 실정이다. Second, the thermal expansion coefficient of the base material (6.3 x 10 -6 / ℃) and the thermal expansion coefficient of the coating layer (8.9 x 10 -6 /) after fabricating the TaSi 2 coating layer at high temperature or cooling the coated TaSi 2 at room temperature after use. Due to the cracks introduced into the coating layer due to the difference of ℃), it is necessary to develop a new coating layer that can solve the problem of poor high temperature repeat oxidation resistance.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 탄탈륨 또는 탄탈륨 합금들의 표면에 고온에서 등온 내산화성과 반복 내산화성을 향상시키고, 피복층의 고온 기계적 성질을 개선할 수 있는 새로운 나노 복합 피복층 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a novel nanocomposite coating layer which can improve isothermal oxidation resistance and repetitive oxidation resistance at high temperature on the surface of tantalum or tantalum alloys, and improve the high temperature mechanical properties of the coating layer. It is to provide a manufacturing method.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층은, 모재인 탄탈륨 또는 탄탈륨 합금들 표면상에 피복된 등축정의 TaSi2 결정입계에 Si3N4 입자들이 분포된 것을 특징으로 한다. TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer according to an aspect of the present invention for achieving this object is, TaSi 2 of equiaxed crystals coated on the surface of the base material tantalum or tantalum alloys Si 3 N 4 particles are distributed in the grain boundary.

이때, TaSi2 결정립의 평균입도는 200 nm 이하이면서 Si3N4 입자들의 평균크기가 60 nm 이하인 미세조직의 특징을 나타내며, TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층내에 Si3N4 입자들의 부피 분율을 조절함으로써 모재의 열팽창계수와 유사하게 일치하는 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 제공한다.In this case, the average particle size of the TaSi 2 grains is 200 nm or less and the microstructure of the Si 3 N 4 particles has an average size of 60 nm or less, and the volume of Si 3 N 4 particles in the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer. By controlling the fraction, it provides a TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer similar to the thermal expansion coefficient of the base material.

또한, 본 발명은 (가) 탄탈륨 또는 탄탈륨 합금의 모재 표면에 질소를 기상증착하여 탄탈륨 질화물 (TaN와 Ta2N) 피복층을 형성하는 단계 혹은 스퍼터링법으로 탄탈륨 질화물 (TaN와 Ta2N) 피복층을 형성하는 단계와, (나) 탄탈륨 질화물 피복층의 표면에 실리콘을 기상증착하여 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 형성하는 단계로 구성된 TaSi2-(11.7-28.4) vol.% Si3N4 나노 복합 피복층의 제조방법 (방법 1)을 제 공한다. 아울러 방법 1에 의해서 제조된 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층의 경우 모재쪽에서 표면쪽으로 갈 수록 Si3N4의 부피 분율이 증가하는 특징이 있다.In addition, the present invention is (a) by vapor deposition of nitrogen in the base metal surface of tantalum or tantalum alloy, tantalum nitride tantalum nitride (TaN and Ta 2 N) coating layer to the (TaN and Ta 2 N) phase, or the sputtering method for forming the coating layer And (b) vapor-depositing silicon on the surface of the tantalum nitride coating layer to form a TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer, wherein the TaSi 2- (11.7-28.4) vol.% Si 3 N 4 Provided is a method for preparing a nanocomposite coating layer (method 1). In addition, in the case of the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer prepared by Method 1, the volume fraction of Si 3 N 4 increases from the base material side toward the surface.

또한, 본 발명은 (가) Ta 또는 Ta 합금의 모재 표면에 탄탈륨과 질소를 동시에 기상증착하여 Ta2N 피복층을 형성하는 단계 혹은 스퍼터링법으로 Ta2N 피복층을 형성하는 단계와, (나) Ta2N 피복층의 표면에 실리콘을 기상증착하여 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 형성하는 단계로 구성된 TaSi2-(11.7-16.5) vol.% Si3N4 나노 복합 피복층의 제조방법 (방법 2)을 제공한다.In addition, the present invention comprises (a) Ta or Ta by simultaneously vapor depositing the tantalum and nitrogen in the base metal surface of the alloy to a step or a sputtering method to form an N coating layer Ta 2 forming a Ta 2 N coating layer and (B) Ta Method of manufacturing a TaSi 2- (11.7-16.5) vol.% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer comprising the step of forming a TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer by vapor-depositing silicon on the surface of the 2 N coating layer (method) Provide 2).

또한, 본 발명은 (가) Ta 또는 Ta 합금의 모재 표면에 탄탈륨과 질소를 동시에 기상증착하여 TaN 피복층을 형성하는 단계 혹은 스퍼터링법으로 TaN 피복층을 형성하는 단계와, (나) TaN 피복층의 표면에 실리콘을 기상증착하여 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 형성하는 단계로 구성된 TaSi2-28.4 vol.% Si3N4 나노 복합 피복층의 제조방법 (방법 3)을 제공한다.In addition, the present invention (A) forming a TaN coating layer by the vapor phase deposition of tantalum and nitrogen on the surface of the base material of Ta or Ta alloy or forming a TaN coating layer by sputtering method, and (b) on the surface of the TaN coating layer The present invention provides a method for preparing a TaSi 2 -28.4 vol.% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer, comprising the step of vapor-depositing silicon to form a TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer.

또한, 본 발명은 (가) Ta 또는 Ta 합금의 모재 표면에 탄탈륨과 질소를 동시에 기상증착하여 TaN 피복층을 형성하고 그 위에 Ta2N 피복층을 형성하는 단계 혹은 스퍼터링법으로 TaN 피복층을 형성하고 그 위에 Ta2N 피복층을 형성하는 단계와, (나) 탄탈륨 질화물 피복층의 표면에 실리콘을 기상증착하여 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 형성하는 단계로 구성된 TaSi2-(28.4-11.7)vol.% Si3N4 나노 복합 피복층 의 제조방법 (방법 4)을 제공한다. 아울러 방법 4에 의해서 제조된 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층의 경우 모재쪽에서 표면쪽으로 갈 수록 피복층내에 Si3N4 입자의 부피 분율이 감소하는 특징이 있다.In addition, the present invention comprises (a) depositing vapor of tantalum and nitrogen in the base metal surface of the Ta or Ta alloy at the same time by forming a TaN coating layer to form a TaN coating layer to a step or a sputtering method to form a Ta 2 N coated layer thereon, and over that A TaSi 2- (28.4-11.7) vol. Comprising the step of forming a Ta 2 N coating layer and (b) vapor-depositing silicon on the surface of the tantalum nitride coating layer to form a TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer. It provides a method (method 4) of manufacturing a% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer. In addition, the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer prepared by the method 4 is characterized in that the volume fraction of the Si 3 N 4 particles in the coating layer decreases from the base material toward the surface.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층과 그 제조방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층은 탄탈륨과 탄탈륨 합금들 표면상에 피복되며, 등축정의 TaSi2 결정입계에 Si3N4 나노 입자들이 분포된 미세조직을 가진다.The TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer according to the present invention is coated on the surface of tantalum and tantalum alloys, and TaSi 2 of equiaxed crystal It has a microstructure in which Si 3 N 4 nanoparticles are distributed at grain boundaries.

상기 나노 복합 피복층에서 TaSi2는 미세조직이 등축정 결정구조를 가지며, 나노 복합 피복층 내에 형성된 Si3N4 입자들의 부피 분율을 조절함으로서 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층들의 열팽창계수를 각각의 모재들과 유사하게 일치시킴으로써, 고온에서 피복층의 제조 후 상온으로 냉각시 혹은 피복처리된 모재를 고온과 상온에서 반복해서 사용하는 열싸이클 처리시 모재와 피복층의 열팽창계수 차이에 의한 열응력에 기인하는 미세 크랙의 생성을 억제하거나 근원적으로 제거할 수 있다.In the nanocomposite coating layer, TaSi 2 has an equiaxed crystal structure, and the thermal expansion coefficients of the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layers are adjusted by controlling the volume fraction of Si 3 N 4 particles formed in the nanocomposite coating layer. Similar to the base materials, due to the thermal stress due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the base material and the coating layer during the production of the coating layer at a high temperature and then cooling to room temperature or repeatedly using the coated base material at high temperature and room temperature. The production of microcracks can be suppressed or eliminated fundamentally.

상기 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층에 각각 형성되어 있는 Si3N4 입자는 TaSi2 기지상에서 고용도의 한계로 인하여 TaSi2 결정입계에 우선적으로 형성되게 된다.The Si 3 N 4 particles formed in the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer are TaSi 2 TaSi 2 due to limitations of employment on site It is formed preferentially at grain boundaries.

또한, 상기 Si3N4 입자들의 열팽창계수는 2.9×10-6/℃ 정도로서 8.9×10-6/℃ 정도의 열팽창계수를 갖는 순수한 TaSi2 복합화됨으로서 모재와 유사한 열팽창계수를 갖도록 일치시켜 미세 크랙의 생성을 억제함으로써 코팅층의 반복 고온 내산화성의 향상을 가져온다.In addition, the coefficient of thermal expansion of the Si 3 N 4 particles is about 2.9 × 10 −6 / ° C., and thus in pure TaSi 2 having a coefficient of thermal expansion of about 8.9 × 10 −6 / ° C. As a result of the complexation, it is matched to have a coefficient of thermal expansion similar to that of the base material, thereby suppressing the generation of fine cracks, thereby improving the repeated high temperature oxidation resistance of the coating layer.

또한, 상기 Si3N4 입자들은 고온의 산화성 분위기하에서 산소에 노출되면 Si3N4 입자들이 우선적으로 산소와 반응하여 치밀한 SiO2 보호피막을 형성하게 되며, SiO2 보호피막을 통한 산소의 확산이 매우 느리기 때문에 고온 등온 내산화성이 우수하여 고온에서 장시간 동안 표면 보호 피복층으로서 그 성능을 유지하게 된다. In addition, when the Si 3 N 4 particles are exposed to oxygen in a high temperature oxidizing atmosphere, the Si 3 N 4 particles preferentially react with oxygen to form a dense SiO 2 protective film, and diffusion of oxygen through the SiO 2 protective film is prevented. Since it is very slow, it is excellent in high temperature isothermal oxidation resistance and maintains its performance as a surface protective coating layer for a long time at high temperature.

또한, 상기 Si3N4 입자들은 TaSi2 결정립 성장을 억제하는 역할을 수행하여 결정립 조대화로 인해 피복층의 기계적 성질이 나빠지는 것을 방지하는 역할을 한다.In addition, the Si 3 N 4 particles play a role of inhibiting TaSi 2 grain growth, thereby preventing the mechanical properties of the coating layer from deteriorating due to grain coarsening.

TaSiTaSi 22 -- SiSi 33 NN 44 나노 복합  Nano composite 피복층의Cladding 제조 Produce

본 발명에 따른 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층의 제조방법은 Si3N4의 부피 분율과 분포 량의 변화에 따라서 네가지 방법을 포함하게 되며, 피복층내에서 Si3N4의 부피 분율과 분포 량의 변화는 탄탈륨 질화물내에서 질소의 농도에 의해서 좌우된다.TaSi 2 -Si 3 N 4 nano-manufacturing method of the composite coating layer according to the invention will contain the four methods according to the change of the volume fraction and distribution of the amount of Si 3 N 4, the volume fraction of Si 3 N 4 and in the cover layer The change in distribution depends on the concentration of nitrogen in tantalum nitride.

첫째, Ta 또는 Ta 합금 모재의 표면에 TaSi2-(11.7-28.4)vol.% Si3N4 나노 복합 피복층을 제조할 경우(방법 1), (가) Ta 또는 Ta 합금들의 모재 표면에 질소를 기상증착하여 탄탈륨 질화물 (TaN와 Ta2N) 피복층을 형성하는 단계 혹은 스퍼터링법으로 탄탈륨 질화물 (TaN와 Ta2N) 피복층을 형성하는 단계와, (나) 탄탈륨 질화물 피복층의 표면에 실리콘을 기상증착하여 TaSi2-(11.7-28.4)vol.% Si3N4 나노 복합 피복층의 제조방법을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 방법에 의해서 제조된 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층의 경우 모재쪽에서 표면쪽으로 갈수록 피복층내에서 Si3N4의 부피 분율이 증가하는 특징이 있다.First, when a TaSi 2- (11.7-28.4) vol.% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer is prepared on the surface of a Ta or Ta alloy base material (method 1), (a) nitrogen is added to the surface of the base material of Ta or Ta alloys. Vapor deposition to form a tantalum nitride (TaN and Ta 2 N) coating layer or sputtering to form a tantalum nitride (TaN and Ta 2 N) coating layer; and (b) vapor deposition of silicon on the surface of the tantalum nitride coating layer. Forming a TaSi 2- (11.7-28.4) vol.% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer, wherein in the case of the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer prepared by the above method, The volume fraction of Si 3 N 4 increases in the coating layer toward the surface.

상기 단계 (가)는 고온의 고순도 알곤 분위기로 유지된 모재 표면에 질소를 화학증착법으로 기상증착시킨다. 여기서, 화학증착법으로 질소를 증착시킬 때 일반적으로 질소 혹은 암모니아 가스 등이 사용될 수 있다.In step (a), nitrogen is vapor-deposited on the surface of the base material maintained in a high temperature, high purity argon atmosphere by chemical vapor deposition. Here, when nitrogen is deposited by chemical vapor deposition, nitrogen or ammonia gas may be generally used.

이 경우, 상기 모재의 표면에 증착된 질소는 모재와 화학반응하여 탄탈륨 질화물 (TaN와 Ta2N) 피복층을 형성하며, 증착시간이 경과함에 따라서 이들 모재 표면에 증착된 질소는 탄탈륨 질화물 피복층을 통해 탄탈륨 질화물/탄탈륨 계면까지 이동한 후 새로운 탄탈륨과 반응하여 탄탈륨 질화물 피복층을 계속해서 생성시키게 된다.In this case, nitrogen deposited on the surface of the base material chemically reacts with the base material to form tantalum nitride (TaN and Ta 2 N) coating layers, and as the deposition time elapses, nitrogen deposited on the surface of the base material is deposited through the tantalum nitride coating layer. After moving to the tantalum nitride / tantalum interface, it reacts with the new tantalum to continue to produce a tantalum nitride coating layer.

또는, 상기 단계 (가)에서 Ta 스퍼터링 타케트를 이용하여 스퍼터링법에 의해서 N2/Ar 분위기하에서 TaN와 Ta2N 피복층의 제조도 가능하다.Alternatively, in the step (a), TaN and Ta 2 N coating layers may also be manufactured in a N 2 / Ar atmosphere by sputtering using a Ta sputtering target.

상기 단계 (나)는 탄탈륨 또는 탄탈륨 합금들 표면에 일정한 두께의 탄탈륨 질화물 피복층을 제조한 후, SiCl4, SiH2Cl2, SiH3Cl 또는 SiH4를 사용하여 화학증착법으로 실리콘을 일정시간 동안 기상증착시킨다.Step (b) is to prepare a tantalum nitride coating layer having a predetermined thickness on the surface of tantalum or tantalum alloys, and then vaporize the silicon for a predetermined time by chemical vapor deposition using SiCl 4 , SiH 2 Cl 2 , SiH 3 Cl or SiH 4 . Deposit.

이 경우, 실리콘을 기상증착시키는 방법에는 (1-70)wt% Si/(1-10)wt% NaF/(20-98)wt% Al2O3의 조성을 가진 팩 실리코나이징 처리용 분말을 사용하는 팩 실리코나이징법을 사용할 수도 있다.In this case, a method for vapor-depositing silicon includes a powder for pack siliconizing treatment having a composition of (1-70) wt% Si / (1-10) wt% NaF / (20-98) wt% Al 2 O 3 . The pack siliconization method used can also be used.

증착된 실리콘을 탄탈륨 질화물 피복층 내부로 반응확산시키면 다음과 같은 반응식 (a) ~ (b)와 같이 고상 치환 반응에 의해서 TaSi2 상과 Si3N4 상이 형성되게 된다.When the deposited silicon is diffused into the tantalum nitride coating layer, the TaSi 2 phase and the Si 3 N 4 phase are formed by the solid phase substitution reaction as shown in the following reaction formulas (a) to (b).

4Ta2N + 19Si → 8TaSi2 + Si3N4 (a)4Ta 2 N + 19Si → 8TaSi 2 + Si 3 N 4 (a)

4TaN + 11Si → 4TaSi2 + Si3N4 (b)4TaN + 11Si → 4TaSi 2 + Si 3 N 4 (b)

TaSi2상 내에서 질소 고용도가 매우 낮기 때문에 반응식 (a) ~ (b)에 의해서 형성된 Si3N4 입자들은 TaSi2 결정입계에서 주로 형성된다.Since in the TaSi 2 the nitrogen solubility is very low, Si 3 N 4 particles formed by the reaction formula (a) ~ (b) are TaSi 2 It is mainly formed at grain boundaries.

탄탈륨 질화물 층 표면에 증착된 실리콘은 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 통해 계속해서 내부로 이동하여 탄탈륨 질화물 피복층과 반응하여 새로운 TaSi2와 Si3N4 입자들을 형성시킴으로써 수십 ~ 수백 마이크로 미터 두께의 TaSi2-(11.7-28.4)vol.% Si3N4 나노 복합 피복층의 제조가 가능하게 된다. Silicon deposited on the surface of the tantalum nitride layer continues to move through the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer and reacts with the tantalum nitride coating layer to form new TaSi 2 and Si 3 N 4 particles, which results in tens to hundreds of micrometers. It is possible to produce a TaSi 2- (11.7-28.4) vol.% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer of thickness.

상기 반응식 (a)에 의해서 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 제조할 경우 이론적으로 형성가능한 Si3N4 입자의 부피분율을 TaSi2 (26.13 cm3/mol)와 Si3N4 (44.3 cm3/mol)의 몰당 부피를 이용하여 계산해 보면 다음과 같다.When the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer was prepared according to the above reaction formula (a), the volume fraction of theoretically formable Si 3 N 4 particles was determined using TaSi 2 (26.13 cm 3 / mol) and Si 3 N 4 (44.3). Calculated using the volume per mole of cm 3 / mol) is as follows.

Si3N4 vol% = [44.3/(44.3 + 8 x 26.13] x 100 = 17.5% 정도이나 Ta2N 상내에서 질소의 비화학양론 조성범위 (14 at.% N)를 고려하면 이론적으로 형성가능한 Si3N4 입자의 부피 분율은 약 12.4 ~ 18.4% 정도이나 실험적으로 형성된 Si3N4 입자의 부피분율은 약 11.7 ~ 16.5% 정도였다. Si 3 N 4 vol% = [44.3 / (44.3 + 8 x 26.13] x 100 = 17.5%, but considering the nonstoichiometric composition of nitrogen (14 at.% N) in the Ta 2 N phase, The volume fraction of the Si 3 N 4 particles was about 12.4 to 18.4%, but the volume fraction of the experimentally formed Si 3 N 4 particles was about 11.7 to 16.5%.

그러나, 반응식 (b)에 의해서 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 제조할 경우 이론적으로 형성가능한 Si3N4 입자의 부피 분율을 계산하면 다음과 같다.However, when preparing the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer by the reaction scheme (b), the volume fraction of theoretically formable Si 3 N 4 particles is calculated as follows.

Si3N4 vol% = [44.3/(4 x 26.13+ 44.3)] × 100 = 29.8% 정도이나 TaN 상내에서 질소의 비화학양론 조성범위 (1 at.% N)를 고려하면 이론적으로 형성가능한 Si3N4 입자의 부피 분율은 약 28.9 ~ 29.8% 정도이나, 실험적으로 형성된 Si3N4 입자의 부피 분율은 약 28.4% 정도이다. Si 3 N 4 vol% = [44.3 / (4 x 26.13+ 44.3)] × 100 = 29.8%, but theoretically formable Si considering the non-stoichiometric composition range of nitrogen (1 at.% N) in the TaN phase 3 N 4 particles or the volume fraction of approximately 28.9 ~ 29.8%, Si 3 N 4 particles, the volume fraction of Experimental formed in is about 28.4 percent.

따라서, 탄탈륨 질화물 피복층을 이용하여 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 제조할 경우, 탄탈륨 질화물내에 존재하는 질소의 함량에 따라서 나노 피복층 내에 존재하는 Si3N4 상의 부피 분율의 조절이 가능하고, 이에 따라 각각의 모재들과 나 노 복합 피복층의 열팽창 계수를 상호 일치시키는 것이 가능하기 때문에 각각의 모재와 나노 복합 피복층의 열팽창계수 차에 의해서 생성된 열응력에 의해 고온에서 저온으로 냉각시 나노 복합 피복층내에 형성되는 크랙들의 양을 조절할 수 있게 되며, 경우에 따라서 전혀 크랙이 없는 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층의 제조가 가능해지므로 본 발명에서는 Ta과 Ta 합금들 모재의 표면에 형성된 TaSi2-Si3N4 피복층내에 존재하는 Si3N4의 부피 분율과 분포 량을 변화시킨 또 다른 세가지 피복처리 방법을 포함한다.Therefore, when manufacturing a TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer using a tantalum nitride coating layer, it is possible to control the volume fraction of the Si 3 N 4 phase present in the nano coating layer according to the nitrogen content present in the tantalum nitride. As a result, the thermal expansion coefficients of the respective base materials and the nanocomposite coating layer can be matched to each other, so that the nanocomposites are cooled at high to low temperatures by thermal stress generated by the difference in coefficient of thermal expansion between the base materials and the nanocomposite coating layer. It is possible to control the amount of cracks formed in the coating layer, and in some cases it is possible to manufacture a TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer without crack at all, in the present invention TaSi 2 formed on the surface of the Ta and Ta alloy base material Including three other coating methods that vary the volume fraction and distribution of Si 3 N 4 present in the -Si 3 N 4 coating layer. All.

둘째, Ta 또는 Ta 합금들 모재의 표면에 TaSi2-(11.7-16.5)vol.% Si3N4 나노 복합 피복층을 제조할 경우(방법 2), (가) Ta 또는 Ta 합금들의 모재 표면에 탄탈륨과 질소를 동시에 기상증착하여 Ta2N 피복층을 형성하는 단계 혹은 스퍼터링법으로 Ta2N 피복층을 형성하는 단계와, (나) Ta2N 피복층의 표면에 실리콘을 기상증착하여 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 형성하는 단계로 구성된 TaSi2-(11.7-16.5)vol.% Si3N4 나노 복합 피복층을 형성하는 단계를 포함한다.Second, when a TaSi 2- (11.7-16.5) vol.% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer is prepared on the surface of a Ta or Ta alloy base material (method 2), (a) tantalum is formed on the surface of the base material of Ta or Ta alloys. Vapor deposition of nitrogen and nitrogen at the same time to form a Ta 2 N coating layer or by sputtering to form a Ta 2 N coating layer, (b) TaSi 2 -Si 3 N by vapor deposition of silicon on the surface of the Ta 2 N coating layer include (11.7-16.5) vol% Si 3 N 4 to form a nanocomposite coating - 4 TaSi 2 consisting of forming a nanocomposite coating.

상기 단계 (가)는 고온으로 유지된 Ta과 Ta 합금들 모재 표면에 탄탈륨과 질소를 동시에 기상화학증착시킬 때 질소 혹은 암모니아 (NH3) 등을 사용하여 질소를 증착시킬 수 있으며, 화학증착법으로 탄탈륨을 증착시킬 때 탄탈륨 펜타클로라이드 (TaCl5), 탄탈륨 헥사 플로라이드 (TaF6), 탈탈륨 펜타 브로마이드 (TaBr5) 등이 사 용될 수 있다.In the step (a), nitrogen or ammonia (NH 3 ) may be deposited on the surface of the base material of Ta and Ta alloys maintained at a high temperature by using nitrogen or ammonia (NH 3 ), and tantalum by chemical vapor deposition. Tantalum pentachloride (TaCl 5 ), tantalum hexa fluoride (TaF 6 ), thallium penta bromide (TaBr 5 ), and the like may be used when depositing.

이 경우 모재들 표면에 증착된 질소와 탄탈륨에 의해서 Ta2N 피복층을 형성하며, 증착시간에 비례하여 Ta2N 피복층은 계속하여 성장하게 된다.In this case, a Ta 2 N coating layer is formed by nitrogen and tantalum deposited on the base materials, and the Ta 2 N coating layer continues to grow in proportion to the deposition time.

또는, 상기 단계 (가)에서 Ta 스퍼터링 타케트를 이용하여 스퍼터링법에 의해서 Ta2N 피복층의 제조도 가능하다.Alternatively, in the step (a), the Ta 2 N coating layer may be manufactured by the sputtering method using the Ta sputtering target.

상기 단계 (나)는 상기 모재들의 표면에 일정한 두께의 Ta2N 피복층을 제조한 후 SiCl4, SiH2Cl2, SiH3Cl 또는 SiH4를 사용하여 화학증착법으로 실리콘을 일정시간 동안 기상증착 시킨다.The step (b) is to prepare a Ta 2 N coating layer of a constant thickness on the surface of the base material and vapor-deposited silicon for a predetermined time by chemical vapor deposition using SiCl 4 , SiH 2 Cl 2 , SiH 3 Cl or SiH 4 . .

이 경우 실리콘을 기상증착시키는 방법에는 (1-70)wt% Si/(1-10)wt% NaF/(20-98)wt% Al2O3의 조성을 가진 팩 실리코나이징 처리용 분말을 사용하는 팩 실리코나이징법을 사용할 수도 있다.In this case, for the vapor deposition of silicon, a powder for pack siliconizing treatment having a composition of (1-70) wt% Si / (1-10) wt% NaF / (20-98) wt% Al 2 O 3 is used. It is also possible to use a pack siliconizing method.

셋째, Ta 또는 Ta 합금들 모재의 표면에 TaSi2-28.4 vol.% Si3N4 나노 복합 피복층을 제조할 경우(방법 3), (가) Ta 또는 Ta 합금의 모재 표면에 탄탈륨과 질소를 동시에 기상증착하여 TaN 피복층을 형성하는 단계 혹은 스퍼터링법으로 TaN 피복층을 형성하는 단계와, (나) TaN 피복층의 표면에 실리콘을 기상증착하여 TaSi2-Si3N4나노 복합 피복층을 형성하는 단계로 구성된 TaSi2-28.4 vol.% Si3N4 나노 복합 피복층을 형성하는 단계를 포함한다.Third, when a TaSi 2 -28.4 vol.% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer is prepared on the surface of a Ta or Ta alloy base material (Method 3), (a) tantalum and nitrogen are simultaneously added to the surface of the base material of Ta or Ta alloy. Forming a TaN coating layer by vapor deposition or forming a TaN coating layer by sputtering; and (b) forming a TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer by vapor-depositing silicon on the surface of the TaN coating layer. Forming a TaSi 2 -28.4 vol.% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer.

상기 단계 (가)에 의해서 TaN 피복층을 형성시킬 때는 방법 2에 의한 Ta2N 피복층의 제조공정시 보다 반응관으로 공급되는 질소 공급원의 유량을 증가시킴으로서 TaN 피복층의 제조가 가능하다.When the TaN coating layer is formed by the step (a), the TaN coating layer can be manufactured by increasing the flow rate of the nitrogen source supplied to the reaction tube than in the manufacturing process of the Ta 2 N coating layer according to the method 2.

Ta2N 피복층의 제조시 공급되는 암모니아 가스의 량과 비교하여 TaN 피복층의 제조시 약 2.5 ~ 3 배 이상의 암모니아 가스의 량이 공급되어야 한다.In comparison with the amount of ammonia gas supplied in the production of the Ta 2 N coating layer, the amount of ammonia gas of about 2.5 to 3 times or more should be supplied in the production of the TaN coating layer.

또는, 상기 단계 (가)에서 Ta 스퍼터링 타케트를 이용하여 스퍼터링법에 의해서 TaN 피복층의 제조도 가능하다. Alternatively, in the step (a), the TaN coating layer may be manufactured by the sputtering method using the Ta sputtering target.

넷째, Ta 또는 Ta 합금들 모재의 표면에 TaSi2-(28.4-11.7)vol.% Si3N4 나노 복합 피복층의 제조시 모재쪽에서 표면쪽으로 갈 수록 Si3N4의 부피 분율이 감소하는 특징이 있는 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 제조할 경우(방법 4), (가) Ta 또는 Ta 합금의 모재 표면에 탄탈륨과 질소를 동시에 기상증착하여 TaN 피복층을 형성하고 그 위에 Ta2N 피복층을 형성하는 단계 혹은 스퍼터링법으로 TaN 피복층을 형성하고 그 위에 Ta2N 피복층을 형성하는 단계와, (나) 탄탈륨 질화물 피복층의 표면에 실리콘을 기상증착하여 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 형성하는 단계로 구성된 TaSi2-(28.4-11.7)vol.% Si3N4 나노 복합 피복층을 형성하는 단계를 포함한다.Fourth, in the production of TaSi 2- (28.4-11.7) vol.% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer on the surface of the Ta or Ta alloy base material, the volume fraction of Si 3 N 4 decreases from the base material to the surface. In the case of manufacturing a TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer (Method 4), (A) TaN coating layer is formed by simultaneously vapor-depositing tantalum and nitrogen on the surface of a base material of Ta or Ta alloy, and forming a Ta 2 N coating layer thereon. Forming a TaN coating layer by sputtering or forming a Ta 2 N coating layer thereon, and (b) vapor-depositing silicon on the surface of the tantalum nitride coating layer to form a TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer. Forming a TaSi 2- (28.4-11.7) vol.% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer composed of the forming step.

이하 실시예를 통하여 본 발명의 주요 내용 및 특징을 보다 명확하게 설명될 것이며, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되지 않고 청구범위 내에서 다양한 변형과 응용이 가능할 것이다.The main contents and features of the present invention will be described more clearly through the following examples, and the present invention is not limited to the following examples and various modifications and applications can be made within the scope of the claims.

실시예Example 1 One

모재로 사용된 탄탈륨 시편의 순도는 99.95%이고, 10 mm × 10 mm × 1 mm 크기의 판형으로 준비하였다. The purity of the tantalum specimen used as the base material was 99.95%, and was prepared in a plate shape having a size of 10 mm × 10 mm × 1 mm.

탄탈륨 시편을 실리콘 카바이드 (SiC) 연마지 #1200까지 연마한 후 아세톤, 알콜 및 증류수 등의 순서로 초음파 세척기에서 각기 30분 동안 세척하여 표면에 존재할 수 있는 유기물질을 제거하고 건조시키는 전처리 과정을 수행하였다. After polishing the tantalum specimen to silicon carbide (SiC) abrasive paper # 1200, clean it for 30 minutes in an ultrasonic cleaner in the order of acetone, alcohol, and distilled water to remove organic substances that may exist on the surface and to dry them. It was.

전처리된 탄탈륨 표면에 질소를 기상 화학 증착시킬 수 있는 고순도 알루미나 반응관에 장입하고, 고순도 아르곤 가스 (99.9999%)를 취입하여 반응관 내의 산소를 제거하고, 고순도 아르곤 가스를 100~2,000 cm/min의 유속으로 흘려주면서 5~20℃/min의 가열속도로 800~1500 ℃까지 가열한 후, 증착 온도를 안정화시키기 위해서 약 10~20분간 유지한 후, 암모니아 가스를 3~2,000 cm/min의 유속으로 공급하면서 탄탈륨 표면에 10분~200 시간 정도 질소를 증착시켰다.It is charged into a high purity alumina reaction tube capable of vapor-chemically depositing nitrogen on the surface of the pretreated tantalum, blown with high purity argon gas (99.9999%) to remove oxygen from the reaction tube, and a high purity argon gas of 100 to 2,000 cm / min While flowing at a flow rate and heated to 800 ~ 1500 ℃ at a heating rate of 5 ~ 20 ℃ / min, and maintained for about 10 to 20 minutes to stabilize the deposition temperature, ammonia gas at a flow rate of 3 ~ 2,000 cm / min Nitrogen was deposited on the tantalum surface for 10 minutes to 200 hours while supplying.

모재의 표면에 증착된 질소는 탄탈륨과 화학 반응하여 TaN와 Ta2N 조성으로 이루어진 두 피복층을 형성한다. 증착 시간이 경과함에 따라 탄탈륨 금속 표면에 증착된 질소는 탄탈륨 질화물 피복층을 통해 탄탈륨 질화물/탄탈륨 계면까지 이동하여 새로운 탄탈륨과 반응함으로 탄탈륨 질화물 피복층은 증착시간의 제곱근에 비례하여 성장하게 된다.Nitrogen deposited on the surface of the base material chemically reacts with tantalum to form two coating layers of TaN and Ta 2 N compositions. As the deposition time elapses, the nitrogen deposited on the tantalum metal surface moves through the tantalum nitride coating layer to the tantalum nitride / tantalum interface and reacts with the new tantalum so that the tantalum nitride coating layer grows in proportion to the square root of the deposition time.

따라서, 특정 두께의 탄탈륨 질화물 피복층을 제조하기 위한 증착온도와 시간은 속도론적으로 계산이 가능하다. 그 한 예로서 1500 ℃의 증착온도에서 약 30시간 동안 질소를 기상 화학증착시키면 탄탈륨 금속 표면에 약 21 ㎛ 두께의 Ta2N 피복층과 약 10 ㎛ 두께의 TaN 피복층이 성장하게 된다.Therefore, the deposition temperature and time for producing a tantalum nitride coating layer of a certain thickness can be calculated kinetically. For example, vapor deposition of nitrogen for about 30 hours at a deposition temperature of 1500 ° C. results in growth of a Ta 2 N coating layer having a thickness of about 21 μm and a TaN coating layer having a thickness of about 10 μm on a tantalum metal surface.

일정 두께의 탄탈륨 질화물 피복층을 제조한 후 암모니아 가스의 공급을 중단하고, 30~3,000 cm/min의 유속으로 고순도 아르곤을 반응관으로 공급하면서 5 oC/min의 냉각속도로 1100 oC까지 냉각한 후, 사염화 실리콘 가스와 수소의 유속비가 약 0.005~0.5이면서 두 가스의 총 유속이 약 30~4,000 cm/min이 되도록 고정한 상태로 반응관내로 공급하면서 30분∼30시간 정도 탄탈륨 질화물 피복층의 표면에 실리콘을 기상화학 증착시킨다.After preparing a tantalum nitride coating layer of a certain thickness, supply of ammonia gas was stopped, and high purity argon was supplied to the reaction tube at a flow rate of 30 to 3,000 cm / min, and cooled to 1100 o C at a cooling rate of 5 o C / min. Thereafter, the flow rate ratio of silicon tetrachloride gas and hydrogen was about 0.005 to 0.5, and the total flow rate of the two gases was fixed to be about 30 to 4,000 cm / min, and then fed into the reaction tube on the surface of the tantalum nitride coating layer for about 30 minutes to 30 hours. Silicon is vapor deposited.

증착된 실리콘은 탄탈륨 질화물 상과의 고상치환반응에 의해서 TaSi2 상과 Si3N4 상들을 형성한다. 증착 시간이 경과함에 따라서 증착된 실리콘은 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 통해 계속해서 내부로 이동하여 탄탈륨 질화물 피복층과 반응하여 새로운 TaSi2와 Si3N4 입자들을 형성하여 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층이 제조된다. The deposited silicon forms TaSi 2 phase and Si 3 N 4 phases by solid phase substitution with tantalum nitride phase. As the deposition time elapses, the deposited silicon continues to move through the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer and reacts with the tantalum nitride coating layer to form new TaSi 2 and Si 3 N 4 particles to form TaSi 2 -Si A 3 N 4 nanocomposite coating layer is prepared.

TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층의 두께는 실리콘의 기상 증착 시간의 제곱근에 비례하여 성장하게 되므로 특정 두께의 복합 피복층을 제조하기 위한 증착온도와 시간은 속도론적으로 계산이 가능하다. 그 한 예로서 1100 ℃의 증착온도에서 실리 콘을 탄탈륨 질화물 피복층의 표면에 11시간 동안 기상 화학 증착시켜 탄탈륨 질화물 피복층 내부로 반응 확산시킴으로써 탄탈륨의 표면에 내산화성과 내식성이 우수한 72 ㎛ 두께의 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 제조할 수 있다.Since the thickness of the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer grows in proportion to the square root of the vapor deposition time of silicon, the deposition temperature and time for preparing the composite coating layer having a specific thickness can be calculated kinetically. As an example, 72 µm of silicon having a high oxidation resistance and corrosion resistance on the surface of tantalum by vapor-depositing silicon on the surface of the tantalum nitride coating layer for 11 hours by vapor phase chemical vapor deposition on the surface of the tantalum nitride coating layer at a deposition temperature of 1100 ° C. A thick TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer can be prepared.

나노 복합 피복층의 제조 후 고순도 아르곤 가스를 100~2,000 cm/min의 유속으로 흘려주면서 상온까지 노냉시킨다.After preparation of the nanocomposite coating layer, high-purity argon gas is cooled to room temperature while flowing at a flow rate of 100 to 2,000 cm / min.

본 발명의 실시예 1에서 사용된 수소와 사염화 실리콘 가스들은 반도체 분야에서 사용되는 고순도 가스를 사용하였다. 특히, 사염화 실리콘 가스는 기화 온도가 약 54℃ 이므로 본 실시예에서는 버블링(bubbling) 장치를 이용하여 0~30℃의 온도로 항온 유지된 버블러(bubbler) 속에 사염화 실리콘 용액을 주입한 후 수소 가스를 사용하여 버블링시켜 반응관 내로 공급하였다. 본 발명에서 기상 화학 증착은 내경이 약 20 mm인 고순도 석영관으로 제작한 반응관이 장착된 관상로에서 실시하였다.Hydrogen and silicon tetrachloride gases used in Example 1 of the present invention used a high purity gas used in the semiconductor field. Particularly, since silicon tetrachloride gas has a vaporization temperature of about 54 ° C., hydrogen is injected into a silicon tetrachloride solution into a bubbler maintained at a temperature of 0 to 30 ° C. using a bubbling device. It was bubbled with gas and fed into the reaction tube. In the present invention, vapor phase chemical vapor deposition was carried out in a tubular furnace equipped with a reaction tube made of a high purity quartz tube having an inner diameter of about 20 mm.

한편, 팩 실리코나이징에 의하여 Si를 증착할 수 도 있다. 이를 위하여 일정한 두께의 탄탈륨 질화물이 피복된 탄탈륨 모재를 (1~70)wt% Si/(1~10) wt% NaF/(20~98)wt% Al2O3 조성의 혼합된 분말 속에 파묻은 후 팩 실리코나이징용 반응관에 장입한다. Alternatively, Si may be deposited by pack siliconization. To this end, a tantalum matrix coated with a tantalum nitride of constant thickness was embedded in a mixed powder of (1 to 70) wt% Si / (1 to 10) wt% NaF / (20 to 98) wt% Al 2 O 3 composition. It is then charged to a reaction tube for pack siliconization.

고순도 아르곤 가스를 취입하여 반응관 내의 산소를 제거하고, 고순도 아르곤 가스를 100~2,000 cm/min의 유속으로 흘려주면서 5~20℃/min의 가열속도로 800~1500℃까지 각각 가열한 후 30분~30 시간 동안 유지시켜 상기 금속 표면에 실 리콘을 기상 화학 증착시켜 탄탈륨 질화물 피복층 내부로 반응 확산시킨다. Blowing high-purity argon gas to remove oxygen in the reaction tube, heating high-purity argon gas at a flow rate of 100 ~ 2,000 cm / min, heating each to 800 ~ 1500 ℃ at a heating rate of 5 ~ 20 ℃ / min, and 30 minutes It is maintained for ˜30 hours to vapor-deposit silicon on the metal surface to diffuse the reaction into the tantalum nitride coating layer.

상기 금속 표면에 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 제조한 후 고순도 아르곤 가스를 100~2,000 cm/min의 유속으로 흘려주면서 상온까지 노냉시킨다. After preparing a TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer on the metal surface and the high-purity argon gas flowing at a flow rate of 100 ~ 2,000 cm / min and cooled to room temperature.

팩 실리코나이징에 의해 제조된 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층의 두께도 화학증착의 경우와 마찬가지로 실리콘 증착시간의 제곱근에 비례하여 증가하기 때문에 특정 두께의 복합 피복층을 제조하기 위한 증착온도와 시간은 속도론적으로 예측이 가능하다.Since the thickness of the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer prepared by the pack siliconization increases in proportion to the square root of the silicon deposition time as in the case of chemical vapor deposition, the deposition temperature and Time can be predicted kinetically.

팩 실리코나이징 처리용 분말은 (1~70)wt% Si/(1~10)wt% NaF/(20~98)wt% Al2O3 조성에 해당하는 분말을 50g이 되도록 측량한 후 회전과 상하운동을 동시에 수행하는 혼합기를 사용하여 24시간 동안 혼합된 분말을 사용하였다. 사용된 실리콘 분말은 순도 99.5%, 평균입도 44 ㎛이고, 활성제는 시약급의 NaF를, 충진제는 평균 44 ㎛ 크기의 고순도 알루미나를 사용하였다. Pack siliconizing powder is rotated after weighing 50g of powder corresponding to (1 ~ 70) wt% Si / (1 ~ 10) wt% NaF / (20 ~ 98) wt% Al 2 O 3 composition The powder was mixed for 24 hours using a mixer that performs the up and down movement simultaneously. The silicon powder used had a purity of 99.5%, an average particle size of 44 μm, the active agent used NaF of reagent grade, and the filler used a high purity alumina having an average size of 44 μm.

1100℃ 이하의 온도에서 행해진 팩 실리코나이징은 내경이 60 mm인 인코넬 600으로 제작된 반응관이 장착된 관상로에서 실시하고, 1200℃이상의 경우에는 고순도 알루미나관을 사용하였다. 혼합된 팩 실리코나이징 처리용 분말을 40 cc의 알루미나 도가니에 채우고 그 가운데에 탄탈륨 질화물이 피복된 탄탈륨 금속들을 묻은 후 알루미나 덮개로 닫았다.Pack siliconization performed at a temperature of 1100 ° C. or lower was carried out in a tubular furnace equipped with a reaction tube made of Inconel 600 having an internal diameter of 60 mm, and a high purity alumina tube was used at 1200 ° C. or higher. The mixed pack siliconizing powder was filled into 40 cc of alumina crucible, with tantalum metal coated with tantalum nitride in the center, and then closed with an alumina cover.

도 1은 종래의 표면 처리방법인 각각 화학증착법, 팩실리코나이징법, 용융침지법 등에 의하여 제조된 주상정(columnar)조직을 가지는 TaSi2 피복층의 단면조직 을 광학현미경으로 관찰한 결과이며, 도 2와 도 3은 본 발명에서 사용된 실시예 1에 의해서 제조된 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층의 단면조직을 주사전자 현미경과 투과전자현미경으로 관찰한 결과이다. FIG. 1 is a result of observing a cross-sectional structure of a TaSi 2 coating layer having columnar textures prepared by chemical vapor deposition, fax siliconization, melt immersion, etc., which are conventional surface treatment methods, respectively, using an optical microscope. 3 is a result of observing the cross-sectional structure of the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer prepared according to Example 1 used in the present invention with a scanning electron microscope and a transmission electron microscope.

탄탈륨 모재에 종래의 표면처리방법인 화학 증착법에 의해서 실리콘을 증착하여 제조된 TaSi2 피복층과 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 비교하면 다음과 같다. The TaSi 2 coating layer prepared by depositing silicon by a chemical vapor deposition method, which is a conventional surface treatment method, on a tantalum base material and the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer prepared in Example 1 according to the present invention are as follows.

본 발명에 따른 실시예 1에 의해서 탄탈륨 질화물과 실리콘의 고상치환반응에 의해서 제조된 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층은 도 3에 도시된 바와 같이, 등축정 TaSi2 결정입계에 초미세한 Si3N4 입자들이 석출되어 있으며, 상분석기 (Image analyzer)를 이용하여 측정한 결과 등축정 TaSi2의 평균 결정입 크기는 약 250 ~ 320 nm이며, Si3N4 석출물 입자들의 평균 크기와 부피비는 약 38 ~ 56 nm와 11.7 ~ 28.4% 정도였다.As shown in FIG. 3, the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer prepared by the solid phase substitution reaction of tantalum nitride and silicon according to the present invention is ultrafine at an equiaxed TaSi 2 grain boundary. 3 N 4 particles are precipitated, and the average grain size of equiaxed TaSi 2 is about 250 to 320 nm, and the average size and volume ratio of the Si 3 N 4 precipitate particles are measured using an image analyzer. About 38 to 56 nm and 11.7 to 28.4%.

또한, Si3N4 입자들이 주로 TaSi2 결정입계에서 형성됨으로써 TaSi2 결정의 성장이 억제되어 나노 미터 정도의 평균 결정입 크기를 갖는 TaSi2 피복층의 제조가 가능해진다.Furthermore, the Si 3 N 4 particles are mainly TaSi 2 crystal formation at the grain boundaries is suppressed, whereby growth of the crystals TaSi 2 Preparation of TaSi 2 coating layer having an average grain size of a nanometer can be realized.

반면에, 종래의 표면처리방법인 화학증착법에 의해서 실리콘을 증착하여 제조된 TaSi2 피복층은 도 1에 도시된 바와 같이 주상정(columnar)조직을 나타내며, 주상정 결정립의 평균직경은 약 1.2 ㎛ 정도였다.On the other hand, TaSi 2 coating layer prepared by depositing silicon by chemical vapor deposition, which is a conventional surface treatment method, exhibits columnar structure as shown in FIG. 1, and the average diameter of columnar crystal grains is about 1.2 μm. It was.

특히, 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층의 단면을 광학현미경으로 관찰한 크랙들의 발생빈도(피복층의 단면에서 단위길이당 크랙의 갯수)를 계산해 본 결과 종래의 TaSi2 피복층의 경우 약 71 개/cm인 것과 비교하여 전혀 크랙이 형성되지 않았다. 따라서, 실시예 1에 의해서 제조된 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층의 열팽창계수는 모재와 매우 유사함을 알 수 있다. In particular, the results of calculating the frequency of occurrence of cracks (number of cracks per unit length in the cross-section of the coating layer) obtained by observing the cross section of the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer prepared in Example 1 according to the present invention with an optical microscope. In the case of the conventional TaSi 2 coating layer, no cracks were formed at all compared with about 71 pieces / cm. Therefore, it can be seen that the thermal expansion coefficient of the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer prepared in Example 1 is very similar to that of the base material.

실시예Example 2 2

실시예 2에서는 Ta과 Ta 합금들 모재 표면에 TaSi2-(11.7-16.5)vol.% Si3N4, TaSi2-28.4 vol.% Si3N4 혹은 TaSi2-(28.4-11.7) vol.% Si3N4 나노 복합 피복층을 제조하기 위해서 본 발명에 따른 제조방법 중 기상화학증착법에 의하여 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 제조하였다.In Example 2, TaSi 2- (11.7-16.5) vol.% Si 3 N 4 , TaSi 2 -28.4 vol.% Si 3 N 4 or TaSi 2- (28.4-11.7) vol. In order to manufacture the% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer, TaSi 2 -Si 3 N 4 nanoparticles by the vapor phase chemical vapor deposition method of the manufacturing method according to the present invention A composite coating layer was prepared.

실시예 1의 방법과 같이 전처리된 상기 모재들 표면에 질소와 탄탈륨을 동시에 기상 화학 증착시킬 수 있는 석영관으로 제작된 반응관에 모재를 장입하고, 고순도 아르곤 가스 (99.9999%)를 취입한 후 로터리 펌프로 5 x 10-2 torr까지 진공배기하여 반응관내에 존재할 수 있는 산소를 제거한 후, 고순도 알곤 (99.9999%)을 100∼2,000 cm/min의 유속으로 흘려주면서 5∼20℃/min의 가열속도로 400∼1200℃ 까지 가열하고, 증착 온도를 안정화시키기 위해서 약 10 ~ 20분간 유지한 후 암모니아 가스와 탄탈륨 펜타클로라이드 (TaCl5) 및 수소를 각각 3 ~ 2,000, 5~2,000, 5~2,000 cm/min의 유속으로 공급하면서 10분~50 시간 정도 이들 금속 표면에 질소와 탄탈륨을 동시에 기상 화학증착시킨다. The base material was charged into a reaction tube made of a quartz tube capable of simultaneously vapor-phase chemical vapor deposition of nitrogen and tantalum on the surface of the pretreated base materials as in the method of Example 1, and then blown with high purity argon gas (99.9999%). After evacuating to 5 x 10 -2 torr with a pump to remove oxygen that may be present in the reaction tube, a heating rate of 5 to 20 ° C / min while flowing high purity argon (99.9999%) at a flow rate of 100 to 2,000 cm / min Heated to 400-1200 ° C., and maintained for about 10-20 minutes to stabilize the deposition temperature, followed by ammonia gas, tantalum pentachloride (TaCl 5 ), and hydrogen 3 to 2,000, 5 to 2,000, 5 to 2,000 cm / Vapor chemical vapor deposition of nitrogen and tantalum at the same time on the surface of these metals is performed for 10 minutes to 50 hours while supplying a flow rate of min.

Ta2N 피복층의 제조시 공급되는 암모니아 가스의 량과 비교하여 TaN 피복층의 제조시 약 2.5 ~ 3 배 이상의 암모니아 가스가 공급되어야 한다.In comparison with the amount of ammonia gas supplied in the production of the Ta 2 N coating layer, at least about 2.5 to 3 times more ammonia gas should be supplied in the production of the TaN coating layer.

모재의 표면에 증착된 질소와 탄탈륨은 화학 반응하여 Ta2N 혹은 TaN 조성의 피복층을 형성하며 증착시간에 비례하여 Ta2N 혹은 TaN 피복층은 계속하여 성장하게 된다. Nitrogen and tantalum deposited on the surface of the base material react chemically to form a coating layer of Ta 2 N or TaN composition, and the Ta 2 N or TaN coating layer continues to grow in proportion to the deposition time.

따라서, 특정 두께의 Ta2N 혹은 TaN 피복층을 제조하기 위한 증착온도와 시간은 속도론적으로 계산이 가능하다. 그 한 예로서 900 ℃의 증착온도에서 약 5시간 동안 질소와 탄탈륨을 동시에 기상 화학 증착시키면 상기 모재들 금속 표면에 약 13 ㎛ 두께의 TaN와 약 7 ㎛ Ta2N 피복층이 성장하게 된다.Therefore, the deposition temperature and time for producing a Ta 2 N or TaN coating layer of a certain thickness can be calculated kinetically. For example, vapor deposition of nitrogen and tantalum simultaneously for about 5 hours at a deposition temperature of 900 ° C. results in the growth of about 13 μm thick TaN and about 7 μm Ta 2 N coating layers on the base metal surfaces.

일정 두께의 Ta2N 혹은 TaN 피복층을 제조한 후 암모니아 가스와 탄탈륨 펜타클로라이드 가스의 공급을 중단하고, 30~3,000 cm/min의 유속으로 1 ~ 10분 정도 알곤을 반응관으로 공급하여 반응관내에 존재할 수 있는 암모니아 가스와 탄탈륨 펜타클로라이드 가스를 제거한 후 사염화 실리콘 가스와 수소의 유속비가 약 0.005~0.5이면서 두 가스의 총 유속이 약 30~4,000 cm/min이 되도록 고정한 상태로 반응관내로 공급하면서 30분~30시간 정도 TaN 혹은 Ta2N 피복층의 표면에 실리콘을 기상화학 증착시킨 후 고순도 아르곤을 100~2,000 cm/min의 유속으로 흘려주면서 상온까지 노냉시킨다.After preparing a Ta 2 N or TaN coating layer having a predetermined thickness, supply of ammonia gas and tantalum pentachloride gas was stopped, and argon was supplied to the reaction tube for about 1 to 10 minutes at a flow rate of 30 to 3,000 cm / min. After removing the ammonia gas and tantalum pentachloride gas that may exist, the flow rate ratio between silicon tetrachloride gas and hydrogen is about 0.005 to 0.5 and the total flow rate of the two gases is fixed to be about 30 to 4,000 cm / min. After vapor deposition of silicon on the surface of the TaN or Ta 2 N coating layer for about 30 to 30 hours, high-purity argon is flowed at a flow rate of 100 to 2,000 cm / min and cooled to room temperature.

증착된 실리콘은 TaN 혹은 Ta2N 상과의 고상치환반응에 의해서 TaSi2 상과 Si3N4 상들을 형성한다. 증착 시간이 경과함에 따라서 증착된 실리콘은 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 통해 계속해서 내부로 이동하여 TaN 혹은 Ta2N 피복층과 반응하여 새로운 TaSi2와 Si3N4 상들을 형성시킴으로써 TaSi2-28.4 vol.% Si3N4 혹은 TaSi2-(11.7-16.5) vol.% Si3N4 나노 복합 피복층의 제조가 가능하게 되며, Ta 모재 표면에 TaN 피복층을 형성하고 그 위에 Ta2N 피복층을 형성시킨 후 실리콘과 고상치환반응시키면 모재로 부터 피복층의 표면까지 Si3N4 입자의 부피 분율이 감소하는 경사구조화된 TaSi2-(28.4-11.7)vol.% Si3N4 나노 복합 피복층의 제조가 가능하게 된다.The deposited silicon forms TaSi 2 and Si 3 N 4 phases by solid phase substitution with TaN or Ta 2 N phases. As the deposition time elapses, the deposited silicon continues to move through the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer and react with the TaN or Ta 2 N coating layer to form new TaSi 2 and Si 3 N 4 phases. . 2 -28.4 vol% Si 3 N 4 or TaSi 2 -. (11.7-16.5) vol % Si 3 N 4 , and the production of the nanocomposite coating layer enables forming a coating layer on TaN Ta base metal surface and that on the Ta 2 N After forming the coating layer, the solid-substituted reaction with silicon decreases the volume fraction of Si 3 N 4 particles from the base material to the surface of the coating layer. The inclined structured TaSi 2- (28.4-11.7) vol.% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer Can be manufactured.

한편, 본 발명의 실시예 2에서 사용된 탄탈륨 펜타클로라이드 가스는 순도가 약 99.5%인 것을 사용하였다. 특히 탄탈륨 펜타클로라이드는 비등점이 약 239 ℃ 이므로 본 연구에서는 버블링 장치를 이용하여 30∼200 ℃의 온도로 항온 유지된 버블러 속에 탄탈륨 펜타클로라이드 고체를 주입한 후 알곤 가스를 사용하여 버블링시켜 반응관내로 공급하였다. 본 발명에서 기상 화학 증착은 내경이 약 20 mm인 석영관으로 제작한 반응관이 장착된 관상로에서 실시하였다. 버블링 장치를 이용하여 몰리브덴 펜타클로라이드 고체를 기화하여 반응관에 주입시 기화온도가 상온 이상이 될 때 버블링 장치부터 반응관까지 모든 연결부위는 히팅 테이프(heating tape)을 사용하여 버블러 온도 이상으로 항상 유지하였다. On the other hand, the tantalum pentachloride gas used in Example 2 of the present invention used a purity of about 99.5%. Especially tantalum pentachloride has a weak boiling point In this study, tantalum pentachloride solid was injected into a bubbler maintained at a temperature of 30 to 200 ° C. using a bubbling device, and then bubbled with argon gas to be fed into the reaction tube. In the present invention, the vapor chemical vapor deposition was carried out in a tubular furnace equipped with a reaction tube made of a quartz tube having an inner diameter of about 20 mm. When vaporizing molybdenum pentachloride solid using a bubbling device and injecting it into the reaction tube, when the vaporization temperature becomes higher than room temperature, all the connecting parts from the bubbling device to the reaction tube are heated or above by using a heating tape. Always maintained.

또한, 일정 두께의 TaN 혹은 Ta2N 피복층이 형성된 상기 모재들을 실시예 1에서 설명한 바와 같이 (1~70)wt% Si/(1~10) wt% NaF/(20~98)wt% Al2O3 조성의 혼합된 분말 속에 파묻은 후 1100 oC에서 5시간 동안 팩 실리코나이징 처리하여 TaSi2-28.4 vol.% Si3N4, TaSi2-(11.7-16.5) vol.% Si3N4 혹은 TaSi2-(28.4-11.7) vol.% Si3N4 나노 복합 피복층을 제조하였다.In addition, as described in Example 1, the base materials on which the TaN or Ta 2 N coating layer having a predetermined thickness are formed are (1 to 70) wt% Si / (1 to 10) wt% NaF / (20 to 98) wt% Al 2 Buried in a mixed powder of O 3 composition, followed by pack siliconization at 1100 o C for 5 hours to remove TaSi 2 -28.4 vol.% Si 3 N 4 , TaSi 2- (11.7-16.5) vol.% Si 3 N 4 or TaSi 2- (28.4-11.7) vol.% Si 3 N 4 nano A composite coating layer was prepared.

본 발명에 따른 실시예 2에서 제조된 TaSi2-28.4 vol.% Si3N4, TaSi2-(11.7-16.5) vol.% Si3N4 혹은 TaSi2-(28.4-11.7)vol.% Si3N4 나노 복합 피복층의 미세조직은 실시예 1의 경우와 유사하였다.TaSi 2 -28.4 vol.% Si 3 N 4 , TaSi 2- (11.7-16.5) vol.% Si 3 N 4 or TaSi 2- (28.4-11.7) vol.% Si prepared in Example 2 according to the present invention 3 N 4 microstructure of nanocomposite coating layers was similar to that of example 1.

실시예Example 3 3

실시예 3에서는 Ta과 Ta 합금들 모재 표면에 TaSi2-28.4 vol.% Si3N4, TaSi2-(11.7-16.5) vol.% Si3N4 혹은 TaSi2-(28.4-11.7)vol.% Si3N4 나노 복합 피복층을 제조하기 위해서 본 발명에 따른 제조방법 중 스퍼터링법에 의하여 TaSi2-Si3N4 나 노 복합 피복층을 제조하였다.In Example 3, TaSi 2 -28.4 vol.% Si 3 N 4 , TaSi 2- (11.7-16.5) vol.% Si 3 N 4 or TaSi 2- (28.4-11.7) vol. In order to prepare a% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer, TaSi 2 -Si 3 N 4 nano A composite coating layer was prepared.

실시예 1의 방법과 같이 전처리된 상기 모재들과 Ta 타케트를 RF 마그네트론 스퍼터링 장비에 장입한 후 5 x 10-7 torr까지 진공배기한 후 N2/Ar가스를 공급하면서 5 x 10-2 torr을 유지하면서 TaN와 Ta2N 피복층을 증착하였다. 이때 RF power는 250 W로, 기판 바이어스는 0 V 로, N2/Ar 가스비는 약 0.1 정도로 유지하였으며, 타케트와 모재의 간격은 약 7.5 cm 정도였다. After charging the base materials and the Ta target pretreated as in the method of Example 1 to the RF magnetron sputtering equipment and evacuated to 5 x 10 -7 torr and then supplying N 2 / Ar gas while supplying 5 x 10 -2 torr While maintaining the TaN and Ta 2 N coating layer was deposited. At this time, the RF power was 250 W, the substrate bias was 0 V, and the N 2 / Ar gas ratio was maintained at about 0.1, and the distance between the target and the base material was about 7.5 cm.

TaN 피복층의 증착속도는 약 4.5 nm/min 정도이며, Ta2N 피복층의 증착속도는 약 3 nm/min 정도였다. The deposition rate of the TaN coating layer was about 4.5 nm / min, and the deposition rate of the Ta 2 N coating layer was about 3 nm / min.

실시예 3에서 제조된 탄탈륨 질화물 표면에 실시예 1의 방법과 동일하게 Si을 기상화학증착시킴으로서 Ta과 Ta 합금들 모재 표면에 TaSi2-28.4 vol.% Si3N4, TaSi2-(11.7-16.5) vol.% Si3N4 혹은 TaSi2-(28.4-11.7)vol.% Si3N4 나노 복합 피복층을 제조하였다.TaSi 2 -28.4 vol.% Si 3 N 4 , TaSi 2- (11.7-) on the surface of the base metals of Ta and Ta alloys by vapor-depositing Si on the tantalum nitride surface prepared in Example 3 in the same manner as in Example 1 16.5) vol.% Si 3 N 4 or TaSi 2- (28.4-11.7) vol.% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer was prepared.

실시예 1의 방법을 사용하여 탄탈륨 모재 표면상에 제조된 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층과 기존의 반응확산법에 의해서 제조된 단순 TaSi2 피복층의 고온 등온내산화성을 1300oC와 1400oC에서 비교 평가하면 다음과 같다.A TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer prepared on the tantalum matrix surface using the method of Example 1 and a simple TaSi 2 prepared by conventional reaction diffusion method The high temperature isothermal oxidation resistance of the coating layer is evaluated as follows at 1300 o C and 1400 o C.

비교예Comparative example

약 80 ㎛ 두께의 TaSi2 층이 피복된 탄탈륨 시편과 실시예 1에 의해서 제조된 72 ㎛ 두께의 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층이 형성된 탄탈륨 시편을 사용하여 1300oC와 1400oC, 80%Ar-20%O2 분위기에서 다음과 같은 등온 내산화 시험을 실시하였다. 1300 o C and 1400 o C, using a tantalum specimen coated with a TaSi 2 layer having a thickness of about 80 μm and a tantalum specimen having a 72 μm thick TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer prepared according to Example 1, The following isothermal oxidation test was conducted in an atmosphere of 80% Ar-20% O 2 .

고온 등온 내산화 시험은 Thermogravimetric analyzer (ThermoCahn 700)을 사용하여 다음과 같이 실시하였다. 고순도 알루미나 보트위에 시험편을 장입한 후 고순도 알곤 분위기하에서 분당 15 oC의 가열속도로 1300oC와 1400oC까지 가열한 후 80%Ar-20%O2의 분위기하에서 산화처리 시간에 따른 시편의 단위면적당 무게변화를 관찰하였으며 그 결과들을 도 4와 도 5에 나타내었다. 도 4에서 보듯이 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층의 등온 내산화성은 순수한 TaSi2 피복층보다 월등히 우수하였다. 따라서, 본 발명에서 개발된 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층들은 순수한 TaSi2 피복층과 비교하여 고온에서 수명이 현저히 향상됨을 알 수 있다. The high temperature isothermal oxidation test was performed using a Thermogravimetric analyzer (ThermoCahn 700) as follows. After loading the specimen on a high purity alumina boat, heating it to 1300 o C and 1400 o C at a heating rate of 15 o C / min under high purity argon atmosphere, and then subjecting the specimen to oxidation treatment time under an atmosphere of 80% Ar-20% O 2 . The change in weight per unit area was observed and the results are shown in FIGS. 4 and 5. As shown in FIG. 4, the isothermal oxidation resistance of the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer was much better than that of the pure TaSi 2 coating layer. Therefore, it can be seen that the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layers developed in the present invention have a significantly improved lifespan at a high temperature compared with the pure TaSi 2 coating layers.

본 발명을 통해 피복층의 제조공정이 단순하고, 경제적이며 모재와 피복층의 계면 결합력이 우수한 장점이 있는 기상 화학 증착법과 팩 실리코나이징 법을 이용 하여 탄탈륨과 탄탈륨 합금들의 표면상에 등축정 형상의 미세조직을 나타내는 TaSi2 결정입계에 Si3N4 입자들을 미세하게 형성시킨 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층을 제조할 수 있는 기술을 제공할 수 있다.Through the present invention, the manufacturing process of the coating layer is simple, economical and fine equiaxed crystal shape on the surface of tantalum and tantalum alloys by using the vapor chemical vapor deposition method and the pack siliconization method, which has the advantage of excellent interfacial bonding force between the base material and the coating layer. a TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating was finely form the Si 3 N 4 particles on the grain boundaries TaSi 2 showing the organization may provide a technique capable of producing.

상기 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층내에 형성되어 있는 Si3N4 입자들의 부피 분율과 분포 량을 조절함으로써 나노 복합 피복층과 모재와의 열팽창계수 차를 감소시켜 나노 복합 피복층내에 미세 크랙의 형성을 억제하거나 완전히 제거하여 고온 내산화성을 향상시키고, 고온에서 산소와 반응하여 형성된 산화물층 내에 SiO2 상의 분율을 증가시킴으로 인해 고온 내산화성을 향상시키며, 결정립 미세화에 의하여 피복층의 기계적 성질의 향상(열응력에 의한 미세크랙의 전파를 억제)을 가져올 수 있다.Formation of fine cracks in the nanocomposite coating layer by reducing the difference in coefficient of thermal expansion between the nanocomposite coating layer and the base material by adjusting the volume fraction and distribution of Si 3 N 4 particles formed in the TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer The high temperature oxidation resistance is improved by suppressing or completely removing the metal oxide, and the high temperature oxidation resistance is improved by increasing the fraction of SiO 2 phase in the oxide layer formed by reacting with oxygen at high temperature, and the mechanical properties of the coating layer are improved by refining grains (heat Suppresses propagation of microcracks due to stress).

본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the illustrated embodiments, it is merely exemplary, and the present invention may encompass various modifications and equivalent other embodiments that can be made by those skilled in the art. Will understand.

Claims (24)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete (가) 모재로서 탄탈륨 또는 탄탈륨 합금의 표면에 탄탈륨과 질소를 동시에 기상증착하여 모재 표면에 TaN 피복층을 형성하고 그 위에 Ta2N 피복층을 형성하는 단계; 및(A) vapor-depositing tantalum and nitrogen on the surface of tantalum or tantalum alloy as a base material simultaneously to form a TaN coating layer on the surface of the base material and to form a Ta 2 N coating layer thereon; And (나) 상기 탄탈륨 질화물 피복층의 표면에 실리콘을 기상증착하여 TaSi2-(28.4-11.7) vol.% Si3N4 나노 복합 피복층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되며,(B) vapor-depositing silicon on the surface of the tantalum nitride coating layer to form a TaSi 2- (28.4-11.7) vol.% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer, 상기 나노 복합 피복층의 Si3N4 부피분율이 모재쪽에서 표면쪽으로 갈수록 감소하도록 경사구조화시키는 것을 특징으로 하는 Si 3 N 4 volume fraction of the nanocomposite coating layer characterized in that the inclined structure so as to decrease from the base material toward the surface TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층의 제조방법.Method for preparing TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer. (가) 모재로서 탄탈륨 또는 탄탈륨 합금의 표면에 스퍼터링법에 의해서 TaN 피복층을 형성하고 그 위에 Ta2N 피복층을 형성하는 단계; 및(A) forming a TaN coating layer on the surface of the tantalum or tantalum alloy as a base material by sputtering and forming a Ta 2 N coating layer thereon; And (나) 상기 탄탈륨 질화물 피복층의 표면에 실리콘을 기상증착하여 TaSi2-(28.4-11.7) vol.% Si3N4 나노 복합 피복층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되며,(B) vapor-depositing silicon on the surface of the tantalum nitride coating layer to form a TaSi 2- (28.4-11.7) vol.% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer, 상기 나노 복합 피복층의 Si3N4 부피분율이 모재쪽에서 표면쪽으로 갈수록 감소하도록 경사구조화시키는 것을 특징으로 하는 Si 3 N 4 volume fraction of the nanocomposite coating layer characterized in that the inclined structure so as to decrease from the base material toward the surface TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층의 제조방법.Method for preparing TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer. 삭제delete 제19항에 있어서, 상기 단계 (가)에서는 질소 또는 암모니아(NH3)를 사용하여 질소를 화학증착하고, 이와 동시에 TaCl5. TaI5, TaBr5 또는 TaF6를 사용하여 탄탈륨을 화학증착하는 것을 특징으로 하는 TaSi2-Si3N4 나노 복합 피복층의 제조방법.20. The method of claim 19, wherein in step (a), nitrogen or ammonia (NH 3 ) is used to chemically deposit nitrogen, and at the same time TaCl 5 . Method for producing a TaSi 2 -Si 3 N 4 nanocomposite coating layer characterized in that the chemical vapor deposition of tantalum using TaI 5 , TaBr 5 or TaF 6 . 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 단계 (나)에서는 SiCl4, SiH2Cl2, SiH3Cl 또는 SiH4를 사용하여 실리콘을 화학증착하는 것을 특징으로 하는 TaSi2-(28.4-11.7) vol.% Si3N4 나노 복합 피복층의 제조방법.21. The method of claim 19 or 20, wherein in step (b) TaSi 2- (28.4-11.7) characterized in that the chemical vapor deposition of silicon using SiCl 4 , SiH 2 Cl 2 , SiH 3 Cl or SiH 4 . Method for producing vol.% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer. 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 단계 (나)에서는 (1-70)wt% Si/(1-10)wt% NaF/(20-98)wt% Al2O3의 조성을 가진 팩 실리코나이징 처리용 분말을 사용하여 팩 실리코나이징법에 의하여 실리콘을 화학증착하는 것을 특징으로 하는 TaSi2- (28.4-11.7) vol.% Si3N4 나노 복합 피복층의 제조방법.The process of claim 19 or 20, wherein in step (b) a pack silico having a composition of (1-70) wt% Si / (1-10) wt% NaF / (20-98) wt% Al 2 O 3 A method for producing a TaSi 2- (28.4-11.7) vol.% Si 3 N 4 nanocomposite coating layer, characterized by chemically depositing silicon by a pack siliconization method using a powder for aging treatment.
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KR20030075918A (en) * 2002-03-21 2003-09-26 강정호 A Fermented Drink of Herb Extract And Its Making Process
KR20060002285A (en) * 2004-07-01 2006-01-09 한국과학기술연구원 M o s i 2 - s i c nanocomposite coating and manufacturing method thereof

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