Effect of Post-Annealing on the Microstructure and Properties of Low Temperature Chemical-Vapor-Deposited Carbides (TaC, HfC, SiC)

Abstract

후열처리가 저온 화학기상증착법(CVD)으로 증착한 탄화물(TaC, HfC, SiC)의 미세구조와 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해, 탄화물 코팅층을 CVD법을 사용하여 흑연 기판에 증착한 후 다양한 조건에서 후 열처리를 진행하였고, 증착-후열처리 조건과 미세구조-기계적 특성 간의 관계를 연구하였다. 탄탈륨 카바이드(TaC) 코팅층은 TaCl5-C3H6-H2 CVD 시스템을 사용하여 다양한 증착 조건아래 흑연 기판 위에 증착하였다. 증착된 TaC 코팅층은 결정학적 우선 방향성을 가지며, (111) 및 (200) 방향이 우세한 것으로 나타났다. 하지만, 증착 온도가 증가함에 따라 우선 방향이 무작위 방향성으로 변화하였다. 증착된 코팅층에 시행된 후 열처리공정은 코팅층의 결정성을 크게 향상시켰다. 증착온도를 1100℃부터 1300℃로 변화시키면서 증착하는 경우, 미세구조는 주상정형태의 구조와 주상정-등축 혼합 구조를 보였다. 코팅층에 행해진 후 열처리 공정은 입자 성장을 유발하여 미세구조가 주상정에서 등축형으로 변화하게 만들었다. 이러한 결과는 후 열처리가 저온에서 증착한 TaC 코팅층의 결정성을 향상시키고, 기계적 물성을 10%가량 증가시킬 수 있는 변화를 보여주고 있다. 하프늄 카바이드(HfC) 코팅층은 HfCl4–C3H6–H2 CVD 시스템을 사용하여 1200℃에서 흑연 기판에 증착하였다. 증착된 코팅층은 높은 결정성과 조밀한 미세구조(주상정 형태)를 보였다. 증착된 코팅층에 시행된 후 열처리 공정은 코팅층의 미세구조에 영향을 미쳐 주상정형태를 등축상 형태로 변화시키고, 기공구조가 드러나게 만들었다. 코팅층의 나노 경도도 후 열처리 과정에서 향상되었다. 이러한 결과는 1200℃에서 증착된 HfC 코팅층이 조밀한 미세구조를 가지고 있으며, 그 결정성과 나노 경도가 후 열처리를 통해 향상될 수 있다는 것을 보여주고 있다. 실리콘 카바이드(SiC) 코팅층은 다양한 증착 온도에서 CVD 방법을 사용하여 흑연 기판에 증착하였다. X선 회절(XRD) 분석 결과 증착 온도에 따라 코팅층의 결정성이 변화함을 보였다. 900℃에서 증착된 코팅층에서는 유리 실리콘(free Si)의 피크가 관찰되었지만, 전구체의 완전한 반응으로 인해 높은 증착 온도에서는 증착된 코팅층에서 실리콘 피크가 관찰되지 않았다. 높은 증착 온도에서 증착된 코팅층의 두께가 증가하는 경향을 보였다. 후 열처리는 증착된 코팅층의 결정성을 향상시켰다. 코팅층의 나노 경도도 또한 온도에 따라 변화하였다. 이러한 결과는 후 열처리가 SiC 코팅층의 결정성, 미세구조 및 나노 경도를 향상시킬 수 있다는 것을 보여준다. TaC, HfC, SiC는 탄화물 기반의 코팅층이지만, 그들의 미세구조의 성장 메커니즘은 유사하면서도 약간 다르다. 따라서, 후 열처리 과정에서 발생하는 미세구조의 변화도 다양하다. 특히, TaC, HfC와 SiC는 후 열처리 후에 부분적으로 차이를 보이며, 그 차이를 본 논문에서 간략히 논의하였다. 본 연구는 고온 세라믹 탄화물(TaC, HfC, SiC)의 결정성, 미세구조 및 후 열처리가 미세구조-기계적 특성에 미치는 영향을 조사함으로써 높은 온도에서 나타나는 이러한 세라믹 탄화물의 우수한 특성에 대한 포괄적이고 상세한 연구의 방향성을 제공한다. 이러한 연구 결과는 고온 세라믹 탄화물의 우수한 특성에 대한 이해를 높이는 데 기여할 수 있을 것으로 보인다.

To investigate the effect of post-annealing on the microstructure and properties of low temperature chemical-vapor-deposited carbides (TaC, HfC, SiC), carbide films were deposited on graphite substrates by CVD and post-annealed at different conditions, and the relation between the deposition/post-annealing conditions and the microstructure/mechanical properties were studied. Tantalum carbide (TaC) coating layers were deposited on graphite substrates using the TaCl5-C3H6-H2 CVD system under various deposition conditions. The deposited TaC coating layers exhibited crystallographic preferred orientation, with (111) and (200) orientations being dominant. As the deposition temperature was increased, the preferred orientation changed to random orientations. Subsequent post-annealing significantly improved the crystallinity of the coating layers. When deposited at 1100oC to 1300oC, the microstructure exhibited columnar structures and columnar-equiaxed mixed structures. However, subsequent post-annealing resulted in grain growth, causing the transformation of the microstructure from columnar to equiaxed form. These findings highlight the ability of post-annealing to enhance crystallinity and induce mechanical property changes of up to 10% increase in TaC coating layers. Hafnium carbide (HfC) coating layers were deposited on graphite substrates using the HfCl4–C3H6–H2 CVD system at 1200°C. The as-deposited coating layers exhibited high crystallinity and dense microstructures (columnar-like structure). Post-annealing further affected the microstructures, transforming columnar structures into equiaxed structures and causing the coalescence of pores. The nano hardness of the coating layer was also improved during the post-annealing process. These results demonstrate that HfC coating layers deposited at 1200°C possess dense microstructures, and their crystallinity and nano hardness can be enhanced through post-annealing. Silicon carbide (SiC) coating layers were deposited on graphite substrates using the CVD method at various deposition temperatures. X-ray diffraction (XRD) analyses revealed changes in crystallinity depending on the deposition temperature. When layers were deposited at 900oCs, peaks of free silicon (Si) were observed, while they were absent at layers deposited at high temperatures due to the complete reaction of the precursor. The microstructure showed a tendency for increased thickness at higher deposition temperatures. Post-annealing improved the crystallinity of the deposited coating layers. The nano hardness of the coating layers also exhibited temperature-dependent variations. These findings suggest that post-annealing can modify the crystallinity, microstructure, and nano hardness of SiC coating layers. Furthermore, although TaC, HfC, and SiC are carbide-based coating layers, their growth mechanisms of the microstructure are slightly different. Therefore, the changes in the microstructure during the post-annealing process vary. In particular, TaC, HfC, and SiC exhibited partial differences after the post-annealing process, which were briefly discussed. This study provides comprehensive and detailed insights into the properties of high-temperature ceramic carbides (TaC, HfC, SiC) through the investigation of their crystallinity, microstructure, and the effects of post-annealing on the microstructure/mechanical properties. The findings contribute to a better understanding of the superior properties exhibited by these high-temperature ceramic carbides.