和合金的應(yīng)用與發(fā)展

和合金的應(yīng)用與發(fā)展

它是一種含糊不清的金屬，地殼中的平均含量約為1.6%10-6%。金屬鉭于1802年由瑞典化學(xué)家A.G.Ekeberg發(fā)現(xiàn),1922年在美國(guó)扇鋼公司進(jìn)行工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。世界鉭資源主要分布在澳大利亞、巴西、加拿大等國(guó)家。鉭和鉭合金具有高密度、高熔點(diǎn)、耐蝕、優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、良好的加工性、可焊性及低的塑/脆轉(zhuǎn)變溫度等優(yōu)點(diǎn),其優(yōu)異的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及經(jīng)氧化處理后表面形成致密、穩(wěn)定、高介電常數(shù)的無(wú)定形氧化膜等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電子、化工、航空航天、武器裝備等領(lǐng)域。本文針對(duì)鉭及鉭合金的特性,重點(diǎn)介紹了該金屬在電子器件、化工裝備、武器裝備中的應(yīng)用。1及其合金高純鉭材塑性極佳,其機(jī)械性能對(duì)于溫度和應(yīng)變率非常敏感。室溫下,鉭的加工硬化度很低,可進(jìn)行深度冷加工,冷軋變形量超可超過(guò)97%。惰性氣氛中,鉭及其合金具有良好的高溫機(jī)械性能。鉭中加入2.5%~10%的鎢可提高材料的強(qiáng)度,鎢對(duì)鉭的合金化形成替代式連續(xù)固溶體仍保持鉭的體心立方晶體結(jié)構(gòu),同時(shí)也保持了鉭材的易加工性能。目前被工業(yè)廣泛應(yīng)用的鉭合金主要有Ta-2.5W、Ta-8W-2Hf、TaW10、TaW12以及Ta-Ta2C復(fù)合材料。表1給出了鉭及鉭合金的一般性能。2r和合金主要用于表面處理2.1其它化學(xué)試劑鉭和其它體心立方晶型的難熔金屬如鎢、鉬等不同,鉭與間隙式原子(N、C、H)具有極高的親和力,和它們形成的化合物甚至在高溫下也非常穩(wěn)定。金屬鉭表面有一層能夠吸附O的TaO鈍化層,這層致密的氧化物質(zhì)使鉭具有對(duì)于水溶性物質(zhì)和大多數(shù)液態(tài)金屬極佳的耐蝕性能,只有HF、發(fā)煙硫酸和苛性堿才能對(duì)其產(chǎn)生腐蝕作用。一般說(shuō)來(lái),太多數(shù)金屬及其合金在化工環(huán)境中的腐蝕速率為0.13mm/a~0.51mm/a,而鉭則為0mm/a~0.05mm/a,將鉭放入200℃的硫酸中浸泡一年,表層僅損傷0.006毫米。在2000多種化學(xué)試劑中,鉭僅被40種試劑所腐蝕。表2給出了鉭、鐵、鋯在幾種環(huán)境下的腐蝕速率。在化工裝備中,鉭被用作各種部件,如熱交換器、殼和管狀加熱器、卡口加熱器、蒸發(fā)器、冷凝器、熱偶套管、(爆破)安全盤(pán)、容器襯和玻璃容器修復(fù)件等。通常較大的部件是在金屬表面(如鋼、不銹鋼和銅)包覆一薄層鉭,可采用物理結(jié)合或爆炸粘結(jié)的方法。石墨殼和管狀熱交換器的成本僅為鉭熱交換器的20%,而石墨熱交換器的壽命為3~5年,但鉭熱交換器至少為20年。鉭是制造處理熱濃硫酸設(shè)備的選材對(duì)象。因?yàn)殂g對(duì)于硫酸工業(yè)來(lái)說(shuō)具有相當(dāng)?shù)闹匾?在濃度為96%、溫度為2l0℃的硫酸中,鉭的腐蝕速率為0.05ram/a;就可以接受的腐蝕速率而言,在達(dá)到230℃的條件下,鉭的鈍化性能還是良好的。硫酸蒸發(fā)器主要使用了Ta2.5W合金,該裝置鉭材蒸發(fā)器為內(nèi)插式換熱器,內(nèi)插管為不銹鋼管,管內(nèi)介質(zhì)為10MPa~12MPa水蒸氣,套管為T(mén)a2.5W合金管,鉭管外為廢硫酸及少量硝酸。美國(guó)俄亥俄州的DaleLathrop公司開(kāi)發(fā)成功一種耐蝕性極高的化工用鉭合金“Ultra76”,既具有極佳的抗氫脆性又具有高度的耐一般腐蝕性。“Ultra76”合金在侵蝕性HC1環(huán)境中的抗氫脆性和耐蝕性較之傳統(tǒng)鉭合金高1~2個(gè)數(shù)量級(jí),在侵蝕性硫酸溶液中要比普通鉭合金高出5~10倍。該新合金的力學(xué)性能與傳統(tǒng)鉭合金同等,可以采用同樣的加工方法進(jìn)行加工制造。有報(bào)道稱,該合金在高溫鹽酸中,腐蝕速率是Ta-2.5W的1/4,在高溫硫酸中腐蝕速率是Ta-2.5W的1/2。2.2電容器密封材質(zhì)及密封對(duì)象電子工業(yè)是鉭材最大的用戶,用鉭制造的電容器具有高的可靠性和緊密度。鉭電容器不需像普通電解電容那樣使用鍍了鋁膜的電容紙燒制,本身幾乎沒(méi)有電感。此外,由于鉭電容內(nèi)部沒(méi)有電解液,很適合在高溫下工作。鉭電容器的特點(diǎn)是壽命長(zhǎng)、耐高溫、準(zhǔn)確度高,濾高頻諧波性能極好。鉭電容器可在溫度劇烈變化的惡劣環(huán)境下正常工作,且其體積小、容量大(電容量為同體積其他電容器的5~6倍),廣泛應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、雷達(dá)、導(dǎo)彈、超音速飛機(jī)、自動(dòng)控制裝置等電子線路中。甚至在新型集成電路中,鉭也是不可缺少的重要材料。鉭電容器的密封外殼可以通過(guò)鉭棒反向擠壓工藝制作,也可用鉭片或鉭管制作用。鉭管制作時(shí),首先把管材截?cái)?然后再焊接封底。要制作出性能一致的產(chǎn)品,控制鉭材性能是關(guān)鍵因素,既要滿足加工要求,又要確保產(chǎn)品質(zhì)量,所以在制作電容器密封外殼的鉭材時(shí)既有塑性要求,又有強(qiáng)度要求。實(shí)際生產(chǎn)中要求的鉭片的典型性能包括:拉伸強(qiáng)度310MPa~380MPa,屈服強(qiáng)度約276MPa,延伸率35~45。2.3藥型罩材料上的應(yīng)用上世紀(jì)80年代,一種用于武器裝備系統(tǒng)的新型彈頭———爆炸成形穿甲彈(EFP爆炸成型侵徹體)問(wèn)世。EFP是一種裝有強(qiáng)力爆炸物的碟形墊片,炸藥爆炸時(shí),碟形墊片變形為符合空氣動(dòng)力學(xué)的長(zhǎng)棒形穿甲彈頭,加速射向目標(biāo)。EFP比傳統(tǒng)的動(dòng)能式穿甲彈頭具有更強(qiáng)的穿透能力,傳統(tǒng)的藥型罩材料使用的是紫銅,在已經(jīng)使用的幾十年中為破甲武器的應(yīng)用作出了極大的貢獻(xiàn)。目前紫銅作為傳統(tǒng)的EFP戰(zhàn)斗部藥型罩材料已不能適應(yīng)防護(hù)裝甲技術(shù)的快速發(fā)展,這迫使戰(zhàn)斗部研究必須尋求新的藥型罩材料。鉭的密度為16.6g/cm-3,是銅的1.86倍。采用高密度材料制作藥型罩可以大大提高EFP的侵徹威力,彈道試驗(yàn)表明,鉭的侵徹性能較銅高30%~35%。從提高破甲彈破甲威力的角度上,鉭及鉭合金可以作為紫銅藥型罩的理想替代材料。美國(guó)等西方國(guó)家早在20世紀(jì)80年代后期就開(kāi)始研究鉭作為戰(zhàn)斗部藥型罩材料的可能性,已取得較大成效,并在EFP戰(zhàn)斗部藥型罩上采用了純鉭材料或鉭合金。鉭及鉭合金藥型罩(球缺形藥型罩)的加工方法主要是機(jī)械加工成形、板材沖壓成形和擺動(dòng)碾壓成形3種。目前,鉭及鉭合金藥型罩材料的研究主要集中在改進(jìn)加工技術(shù)中,用來(lái)改善藥型罩材料的組織,降低生產(chǎn)成本。鉭及鉭合金藥型罩材料正在大規(guī)模被應(yīng)用。2.4狼-鐵地層合金純鉭的熔點(diǎn)可達(dá)到2996℃,鉭合金在高溫爐用構(gòu)件上是很好的材料,如用做料盤(pán),加熱元件和隔熱屏等。鉭和鈮是超耐熱合金的優(yōu)良添加劑。這種合金主要用于制造渦輪元件和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零件,其需求量約90%是用于宇宙航行和航空工業(yè)。添加少量釔作為鉭的晶粒穩(wěn)定劑,添加適量鎢可提高鉭的高溫強(qiáng)度。為了提高鉭的抗蠕變能力,可在鉭鎢合金中添加2.5%的鉿,鉿富集在晶粒邊界上,能防止晶界滑移,如T-1ll合金。T-1ll合金現(xiàn)用于包裹宇宙熱電發(fā)電機(jī)熱源的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)材料。TaW10合金是重要的火