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钽材料技术与应用



钽具有熔点高、蒸汽压低、冷加工性能好、化学稳定性高、抗液态金属腐蚀能力强、表面氧化膜介电常数大等一系列优异性能,在电子、冶金、钢铁、化工、硬质合金、原子能、超导技术、汽车电子、航空航天、医疗卫生和科学研究等高新技术领域有重要应用。目前钽的最主要应用为钽电容。


钽在电子工业中的应用

在电子工业方面,钽主要用作钽电容器,通常以电容器级钽粉、钽丝和钽箔等形式被应用。钽电容器是雷达、宇航飞行器、导弹不可缺少的电子元件之一,并且广泛应用与民用,如移动通信、电子设备、仪器等方面。

钽粉由于比表面积大,介电体的薄膜介电常数大,因而电容量大,能制成小型大容量电容器。用钽制作的电解电容器具有体积小、重量轻、可靠性好、工作温度范围大、抗震及使用寿命长等优点。

钽电解电容器按其点解读可分为:固体电解质电容器和液体电解质电容器。钽电解电容器按其阳极形式区分:主要有钽箔阳极和钽粉烧结阳极两种。钽丝用作这两种电容器的阳极引线。

电子工业的发展对钽电容器小型化及高可靠性的要求越来越严格。点钽电容器小型化和片兴华方面,致力于提高钽粉的比容。目前,国际上钽粉商品化比容已达到150000μF ·V/g以上,实验室已达到30000μF·V/g。

钽业用作电子管的材料。由于钽的熔点高、真气压低、加工性能好、线膨胀系数小、吸气性良好,因此钽是发射管、高功率电子管零件的良好材料。

由于钽的化学稳定性高,钽靶材是电子芯片磁控溅射镀膜的重要材料。


钽在硬质合金中的应用

碳化钽是难熔碳化物,在硬质合金工业应用中占有及其重要地位。与WC、TiC和金属钴的陶瓷碳化物一样,TaC具有优良的耐磨性、韧性、硬度和稳定性。碳化钽的使用有两种:一种是将少量碳化钽直接添加到WC-Co或WC-TiC-Co合金中,其控制晶粒长大等作用;另一种是碳化钽与碳化铌或其他碳化物形成固溶体,可以改善合金的高温硬度、高温强渡和抗氧化性能,大大提高切削速度和延长刀具寿命。

陶瓷碳化物具有优良切削性能,一般有α、γ、β三相组成。α相为碳化物;β相为金属相粘结剂,金属钴是陶瓷碳化物最常用的黏结剂;γ相是TaC、NbC和TiC形成固溶体,溶解在碳化钨中做为晶体生成抑制剂。

NbC的性质结余TaC和TiC之间,但因NbC价格便宜,除美国外,国外用NbC取代TaC高达30%~40%。在硬质合金中,因用途不同,TaC含量也有所不同,一般在4%~12%范围内变化。

钽在化学工业中的应用

钽在150℃以下抗化学腐蚀及大气腐蚀能力很强。除氢氟酸、发烟的三氧化硫及高温下的浓硫酸和磷酸外,按对其他酸都是稳定的。Ta-W合金在200℃下,在酸性和中性介质中的稳定性甚至比金、箔都高。

钽除具有特殊抗腐蚀性能外,还具有良好的强度、塑性、导热性及加工性能,因而是化工设备极有价值的结构材料。钽制件广泛应用于化学加工工业、石油工业、医药制造工业、食品加工业。

金属钽和钽合金(如Ta-2.5W、Ta-10W、Ta-40Nb等)在抗腐蚀方面的应用中比任何其他材料更能经手高温和矿物酸(盐酸、硫酸、硝酸)的腐蚀。钽及其合金主要应用于化学过程的反应容器和热交换器等,是制造热传输元件(如热交换器、冷凝器、U形管)的最理想材料,他们的热导率为钛的两倍多,为锆不锈钢的单倍多、为镍基合金的四倍,钽容器已成功用于吸附氯化氢来制造盐酸。钽又经常被用来制备温度计的保护套或温度传感器,从而保证温度的任何变化都能在很短的时间里得到反馈。

钽制设备的另一个优点是能绝对保证介质及产品的纯度。在这一方面,有些行业尤其是制药行业中,某些工艺对设备的要求非常严格,即使在强腐蚀环境下也决不允许有任何磨损或渗出现象发生。为了满足这一要求,设备的宣策范围就非常有限。除了玻璃、搪瓷和硅铸铁外,在所有的金属材料中,只有钽这一过渡金属最为合适。为了边由于磨损和渗出而产生掺杂现象,近年来,越来越多的石墨和碳制设备正普遍地被钽所取代。金属钽还可以代替黄金、铂金制造合成纤维喷丝头,这种喷丝头要求坚固、耐磨损、抗腐蚀,且要求喷嘴上直径为数十微米的细孔在使用过程中保持尺寸严格不变。

在选材评估时,除了要考察材料本身的成本以外,设备的保养、维修和更换费用也应计算在内。做为初始投资,钽及任何钽制设备确实显得高一些,但是如果从整个服务年限来评估,钽的经济性就凸显而出。非凡的抗腐蚀和抗磨损能力意味着钽制设备具有更长的服务年限,维修和更换成本(这些成本往往是设备购置成本的许多倍)的节约。加上生产工艺的连续和稳定,以及生产浪费最大限度的减少等都体现出钽制设备的经济性。

钽在航空和宇航工业中的应用

除钽电容器大量用于航航天工业外,钽还主要以高温合金(又称超合金)和以钽为基体的耐热合金在航空航天工业特别是发动机方面得到特殊应用。添加钽到镍基、钴基、铁基合金中可以制造超合金、耐蚀合金、耐磨合金等高性能合金。

与含铌高温合金相比,含钽高温合金具有更优越的性能,耐热更高,应力负荷更大。而钽基耐热合金住户要氛围TaW和Ta-Nb两个系列,其他添加剂还有钼、铪、铼。这些合金均有优异的性能,如Ta-W-Hf系合金具有很高的高温强渡(1650℃或更高)和蠕变抗力,良好的低温塑性和焊接性能。这些合金主要用作超音速飞机、固体推进剂火箭、导弹的耐热高强度结构材料以及控制、调节装置的零件等。如美国阿吉纳宇宙飞船的燃烧室用Ta-10W合金制成,其套少时火焰温度很高(可达2760℃)。



劳斯阿莫斯国立研究所开发出含有20%钛的钽合金,对熔融钚有优异的耐腐蚀性,可以在800~1200℃的高温中持续数小时的耐氧化性。其中研发的T-222(Ta-10W-2.5Hf-0.01C)研究应用于冥王星探测器发电装置的材料、液体火箭喷管的喷嘴;T-111(Ta-8W-2Hf)用作宇宙空间使用的包裹热力发动机热源(宇航核动力装置)的强化结构材料;Ta-10W合金已用于阿吉娜宇宙飞船的燃烧室和导弹的鼻锥(使用温度在2500℃左右)、火箭发动机喷管的燃气扰流片、阿波罗燃烧室。



为了提高发动机的推力和效率,要求尽可能提高发动机的涡轮进口温度。目前推重比为10的发动机涡轮进口温度已达1580~1650℃。高温合金具有优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、良好的疲劳性能和断裂韧性等综合性能,已成为航空发动机涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘等高温部件的关键材料。航空发动机用高温合金中,镍基高温合金比重达到55%~65%。航空发动机用镍基高温合金发展的重点是粉末涡轮盘高温合金和单晶高温合金及相应的高温隔热涂层。高强高韧钽基合金是航空发动机用新型候选超高温结构材料之一。Kurpp VDM公司的Brill博士指出,目前除其公司外,其他如罗公司和通用电器公司都在试验用钽制作燃气涡轮。而其公司生产的钽产品可以提高飞机引擎耐热温度60℃,其高耐热性可以使冷却空气量减少,因而整个动力装置效率得到提高。现代客机使用这种新合金可以减少燃料消耗约10%。这是因为普通材料不能抵抗燃烧过程达到的温度,需要70%的压缩空气来冷却,而其中只有三分之用来产生推动力,而此合金因通过添加8%左右的钽,使材料在600~800℃范围内取得搞得强度,且可以支持金属中所有的强化过程。

航空航天工业是铌和钽的第二大用户。铌和钽的合金,尤其是其高温合金和以其为基体的耐热合金,是飞机喷气发动机、火箭、飞船等运载工具的热部件中不可或缺的支柱性材料。钨、钼、钽、铌四大难熔金属被称为空间金属。

为了承受高温热循环的考验(1300℃/20min),零件表面必须实施保护涂层以提高其抗氧化能力。因此,研究经济可行和稳定可靠的高温保护涂层对于钽在航天工业中的高温应用意义重大。由于钽的熔点高,人们将其主要用作加热炉零件和喷气发动机零件,在航夭和导弹技术中占有极其重要的地位。

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