鉭棒鉭管鉭加工件等鉭合金特性與化工電子裝備領(lǐng)域的應(yīng)用

鉭屬難熔金屬，在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、加拿大等國家。鉭和鉭合金具有高密度、高熔點、耐蝕、優(yōu)異的高溫強度、良好的加工性、可焊性及低的塑/脆轉(zhuǎn)變溫度等優(yōu)點，其優(yōu)異的動態(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)的無定形氧化膜等特點而被廣泛應(yīng)用于電子、化工、航空航天、武器裝備等領(lǐng)域。

針對鉭及鉭合金的特性，重點介紹了該金屬在電子器件、化工裝備、武器裝備中的應(yīng)用。利泰金屬結(jié)合相關(guān)資料，分享如下：

1、鉭及鉭合金的性能

高純鉭棒、鉭管等鉭材塑性極佳，其機械性能對于溫度和應(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97％。惰性氣氛中，鉭及其合金具有良好的高溫機械性能。鉭中加入2.5％～10％的鎢可提高材料的強度，鎢對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一2.5W、Ta一8W一2Hf、Tawl0、TaW2以及Ta—Ta2C復(fù)合材料。表1 給出了鉭及鉭合金的一般性能。

2、鉭及合金主要應(yīng)用

2.1 化工裝備用鉭

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)使鉭具有對于水溶陛物質(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其產(chǎn)生腐蝕作用。一般說來，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、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)備的選材對象。因為鉭對于硫酸工業(yè)來說具有相當(dāng)?shù)闹匾裕跐舛葹?6％、溫度為210℃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Ta2.5W合金管，鉭管外為廢硫酸及少量硝酸。美國俄亥俄州的Dale Lathrop公司開發(fā)成功一種耐蝕性極高的化工用鉭合金“Ultra 76”，既具有極佳的抗氫脆性又具有高度的耐一般腐蝕性。“Ultra 76”合金在侵蝕性HCl環(huán)境中的抗氫脆性和耐蝕性較之傳統(tǒng)鉭合金高l～2個數(shù)量級，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 電子工業(yè)用鉭

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，本身幾乎沒有電感。此外，由于鉭電容內(nèi)部沒有電解液，很適合在高溫下工作。鉭電容器的特點是壽命長、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)用于電子計算機、雷達(dá)、導(dǎo)彈、超音速飛機、自動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，首先把管材截斷，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既有塑性要求，又有強度要求。實際生產(chǎn)中要求的鉭片的典型性能包括：拉伸強度310MPa~380 MPa，屈服強度約276MPa，延伸率35～45m。

2.3 武器裝備用鉭

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)問世。EFP是一種裝有強力爆炸物的碟形墊片，炸藥爆炸時，碟形墊片變形為符合空氣動力學(xué)的長棒形穿甲彈頭，加速射向目標(biāo)。EFP比傳統(tǒng)的動能式穿甲彈頭具有更強的穿透能力，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^-3sup>，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，彈道試驗表明，鉭的侵徹性能較銅高30％～35％同。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。美國等西方國家早在20世紀(jì)80年代后期就開始研究鉭作為戰(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械加工成形、板材沖壓成形和擺動碾壓成形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 高溫應(yīng)用

純鉭的熔點可達(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，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)動機零件，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-1合金。T-1合金現(xiàn)用于包裹宇宙熱電發(fā)電機熱源的強化結(jié)構(gòu)材料。TaWl0合金是重要的火箭噴管材料，在航天和導(dǎo)彈技術(shù)中占有極其重要的地位例。

3、 結(jié)束語

伴隨著全球經(jīng)濟的高速增長，電子、軍事、化工等行業(yè)即將進(jìn)入新的一輪增長周期，物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)及中國的機械化、自動化、智能化發(fā)展趨勢也已經(jīng)確定，這些都將推動鉭棒、鉭管、鉭絲等鉭及鉭合金的需求，使鉭行業(yè)迎來一個快速發(fā)展的時期。

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