钽在航天、化工、核能等高科技行业作为耐腐蚀材料和高温结构材料有着非常重要的作用,然而由于钽在高温下容易进一步氧化,降低钽的力学性能与表面可靠性,因此在高温下使用必须考虑抗氧化防护。钽的碳化物有着良好的高温强度和稳定性,在钽表面渗碳生成碳化改性层是一种成本较低、不影响基体性能的表面防护手段,本文通过钽的碳化物性质理论计算以及离子渗碳实验两方面对钽表面渗碳改性技术进行了初步研究。理论计算方面,本文通过基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算,对钽在渗碳过程中主要形成的两种碳化物TaC和Ta2C的力学性能、电子结构与热力学性能进行了全面的研究。计算中,使用Voigt-Reuss-Hill近似与Chen的半经验公式得到了二者的弹性模量与硬度,通过电子结构计算讨论了二者力学性能差异的原因,并基于准简谐近似理论获得了二者的热力学性能。根据计算结果,分析了碳化物性质与渗碳层性能之间的联系,以及对渗碳层成分进行调控的方法。实验方面,本文使用基于空心阴极效应的离子渗碳技术,以氩气和甲烷作为渗碳气体,于1300℃的温度下在离子渗碳炉中对钽片表面进行渗碳实验,采用XRD、SEM、XPS和AES对获得的渗碳层进行成分和结构分析,实验结果说明离子渗碳方法可行且具有良好的渗碳效果。通过对纯钽和渗碳样品进行表面氧化对比实验,初步验证了渗碳层具有一定的抗氧化性。计算结果表明,TaC和Ta2C二者都具有高强度和硬度,其中Ta2C的强度介于TaC与Ta之间,并具有一定的塑性,有利于提高渗碳层的抗冲击能力,但Ta2C的热膨胀系数低于Ta和TaC,可能会降低渗碳层的热循环稳定性。因此可能需要改变渗碳层中碳化物的组成比例以满足对材料耐冲击和耐热震的不同要求。结合理论与实验结果,推测在提高渗碳温度或降低CH4分压有利于生成更厚的Ta2C层,且渗碳层在长期高温使用过程中也可能发生固相反应产生成分变化。在离子渗碳实验中,通过使用空心阴极效应进行加热的方法,提高了加热效率和渗碳速度,从而在相对较低的温度和电压下在钽片表面获得了具有良好致密度、成分梯度均匀的渗碳层。分析结果显示渗碳层成分由表层TaC逐渐过渡为Ta2C再过渡为Ta。氧化实验显示在500 ℃下氧化4 h后渗碳层对基体起到了良好的保护作用。