钽及钽合金在工业装备中的应用

  钽和钽合金具有高密度、高熔点、耐蚀、优异的高温强度、良好的加工性等特点而被广泛应用于电子、化工、航空航天、武器装备等领域。

  钽属难熔金属，在地壳中的平均含量约为 1.6×10-6 %。金属钽于 1802 年由瑞典化学家 A.G.Ekeberg发现，1922 年在美国扇钢公司进行工业化规模生产。世界钽资源主要分布在澳大利亚、巴西、加拿大等国家。钽和钽合金具有高密度、高熔点、耐蚀、优异的高温强度、良好的加工性、可焊性及低的塑／脆转变温度等优点，其优异的动态力学性能及经氧化处理后表面形成致密、稳定、高介电常数的无定形氧化膜等特点而被广泛应用于电子、化工、航空航天、武器装备等领域。

1 钽及钽合金的性能

  高纯钽材塑性极佳，其机械性能对于温度和应变率非常敏感。室温下，钽的加工硬化度很低，可进行深度冷加工，冷轧变形量超可超过 97 %。惰性气氛中，钽及其合金具有良好的高温机械性能。钽中加入2.5 %～10 %的钨可提高材料的强度，钨对钽的合金化形成替代式连续固溶体仍保持钽的体心立方晶体结构，同时也保持了钽材的易加工性能。目前被工业广泛应用的钽合金主要有 Ta-2.5W、Ta-8W-2Hf 、TaW10、TaW12 以 及 Ta-Ta2C 复 合 材料。表 1给出了钽及钽合金的一般性能。

2 钽及合金主要应用

2. 1 化工装备用钽

  钽和其它体心立方晶型的难熔金属如钨、钼等不同，钽与间隙式原子(N、C、H)具有极高的亲和力，和它们形成的化合物甚至在高温下也非常稳定。金属钽表面有一层能够吸附 O 的 TaO 钝化层，这层致密的氧化物质使钽具有对于水溶性物质和大多数液态金属极佳的耐蚀性能，只有 HF、发烟硫酸和苛性碱才能对其产生腐蚀作用。一般说来，太多数金属及其合金在化工环境中的腐蚀速率为 0.13 mm/a ~ 0.51 mm/a，而钽则为 0 mm/a ~ 0.05 mm/a，将钽放入 200 ℃的硫酸中浸泡一年，表层仅损伤 0.006 毫米。在 2000 多种化学试剂中，钽仅被 40 种试剂所腐蚀。表 2给出了钽、铁、锆在几种环境下的腐蚀速率。

  在化工装备中，钽被用作各种部件，如热交换器、壳和管状加热器、卡口加热器、蒸发器、冷凝器、热偶套管、(爆破)安全盘、容器衬和玻璃容器修复件等。通常较大的部件是在金属表面(如钢、不锈钢和铜)包覆一薄层钽，可采用物理结合或爆炸粘结的方法。石墨壳和管状热交换器的成本仅为钽热交换器的 20 ％，而石墨热交换器的寿命为 3 ~ 5 年，但钽热交换器至少为 20 年。钽是制造处理热浓硫酸设备的选材对象。因为钽对于硫酸工业来说具有相当的重要性，在浓度为 96 ％、温度为 2l0 ℃的硫酸中，钽的腐蚀速率为 0.05 ram/a；就可以接受的腐蚀速率而言，在达到 230 ℃的条件下，钽的钝化性能还是良好的。硫酸蒸发器主要使用了 Ta2.5W 合金，该装置钽材蒸发器为内插式换热器,内插管为不锈钢管，管内介质为 10 MPa ~ 12 MPa 水蒸气，套管为 Ta2.5W 合金管，钽管外为废硫酸及少量硝酸。美国俄亥俄州的 Dale Lathrop 公司开发成功一种耐蚀性极高的化工用钽合金“Ultra 76”，既具有极佳的抗氢脆性又具有高度的耐一般腐蚀性。“Ultra 76”合金在侵蚀性HC1 环境中的抗氢脆性和耐蚀性较之传统钽合金高1 ~ 2 个数量级，在侵蚀性硫酸溶液中要比普通钽合金高出 5 ~ 10 倍。该新合金的力学性能与传统钽合金同等，可以采用同样的加工方法进行加工制造。有报道称，该合金在高温盐酸中，腐蚀速率是 Ta-2.5W的 1/4，在高温硫酸中腐蚀速率是 Ta-2.5W 的 1/2。

2. 2 电子工业用钽

  电子工业是钽材最大的用户，用钽制造的电容器具有高的可靠性和紧密度。钽电容器不需像普通电解电容那样使用镀了铝膜的电容纸烧制，本身几乎没有电感。此外，由于钽电容内部没有电解液，很适合在高温下工作。钽电容器的特点是寿命长、耐高温、准确度高，滤高频谐波性能极好。钽电容器可在温度剧烈变化的恶劣环境下正常工作，且其体积小、容量大 (电容量为同体积其他电容器的 5 ~ 6 倍)，广泛应用于电子计算机、雷达、导弹、超音速飞机、自动控制装置等电子线路中。甚至在新型集成电路中，钽也是不可缺少的重要材料。钽电容器的密封外壳可以通过钽棒反向挤压工艺制作，也可用钽片或钽管制作用。钽管制作时，首先把管材截断，然后再焊接封底。要制作出性能一致的产品，控制钽材性能是关键因素，既要满足加工要求，又要确保产品质量，所以在制作电容器密封外壳的钽材时既有塑性要求，又有强度要求。实际生产中要求的钽片的典型性能包括：拉伸强度 310 MPa ~ 380 MPa，屈服强度约 276 MPa，延伸率 35 ~ 45。

2. 3 武器装备用钽

  上世纪 80 年代，一种用于武器装备系统的新型弹头———爆炸成形穿甲弹 (EFP 爆炸成型侵彻体)问世。EFP 是一种装有强力爆炸物的碟形垫片，炸药爆炸时，碟形垫片变形为符合空气动力学的长棒形穿甲弹头，加速射向目标。EFP 比传统的动能式穿甲弹头具有更强的穿透能力，传统的药型罩材料使用的是紫铜，在已经使用的几十年中为破甲武器的应用作出了极大的贡献。目前紫铜作为传统的 EFP 战斗部药型罩材料已不能适应防护装甲技术的快速发展，这迫使战斗部研究必须寻求新的药型罩材料。钽的密度为 16.6 g/cm-3，是铜的 1.86 倍。采用高密度材料制作药型罩可以大大提高 EFP 的侵彻威力，弹道试验表明，钽的侵彻性能较铜高 30 %~ 35 %。从提高破甲弹破甲威力的角度上，钽及钽合金可以作为紫铜药型罩的理想替代材料。美国等西方国家早在 20 世纪80 年代后期就开始研究钽作为战斗部药型罩材料的可能性，已取得较大成效，并在 EFP 战斗部药型罩上采用了纯钽材料或钽合金。钽及钽合金药型罩（球缺形药型罩）的加工方法主要是机械加工成形、板材冲压成形和摆动碾压成形 3 种。目前，钽及钽合金药型罩材料的研究主要集中在改进加工技术中，用来改善药型罩材料的组织，降低生产成本。钽及钽合金药型罩材料正在大规模被应用。

2.4 高温应用

  纯钽的熔点可达到 2 996 ℃，钽合金在高温炉用构件上是很好的材料，如用做料盘，加热元件和隔热屏等。钽和铌是超耐热合金的优良添加剂。这种合金主要用于制造涡轮元件和喷气发动机零件，其需求量约 90 %是用于宇宙航行和航空工业。添加少量钇作为钽的晶粒稳定剂，添加适量钨可提高钽的高温强度。为了提高钽的抗蠕变能力，可在钽钨合金中添加2.5 %的铪，铪富集在晶粒边界上，能防止晶界滑移，如 T-1ll 合金。T-1ll 合金现用于包裹宇宙热电发电机热源的强化结构材料。TaW10 合金是重要的火箭喷管材料，在航天和导弹技术中占有极其重要的地位。

  伴随着全球经济的高速增长，电子、军事、化工等行业即将进入新的一轮增长周期，物联网、移动互联网及中国的机械化、自动化、智能化发展趋势也已经确定，这些都将推动钽及钽合金的需求，使钽行业迎来一个快速发展的时期。

关于星尘科技

  星尘科技(广东)有限公司是一家专业从事3D打印、粉末冶金、表面工程等领域用高端球形粉体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业。公司坚持以射频等离子体球化制粉技术为核心，提供国际先进的粉体产品及应用解决方案。公司主营产品包括钨、钼、钽、铌、钒、铼、铬等高端稀有难熔金属及其合金、化合物球形粉体，同时提供射频等离子体球化、等离子旋转电极雾化、3D打印、热等静压、注射成型、粉末冶金等技术服务。

  星尘科技生产的球形Ta-W耐火合金粉采用射频等离子球化雾化法制成，具有高纯度缺氧、球形度高、表面光滑、无卫星、粒度分布均匀、流动性能优良、疏松密度和振动密度高等特点。钽钨合金是一种高密度的材料，具有较高的熔点、较高的抗拉强度、良好的动态延展性和耐腐蚀性等特点，应用于化工防腐蚀，机械，航空航天以及军工领域。https://zh-cn.stardustpowder.com/tantalum-10-tungsten-powder15-53mm

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文章来源： 《装备制造技术》2013 年第 8 期  中图分类号：TG146.416 文献标识码：B 文章编号：1672-545X（2013）08-0115-03