鉭鈮及其合金的特性與應(yīng)用

1、鉭及其鉭合金與應(yīng)用研究

1.1 鉭概述

鉭金屬，具備極好的室溫加工性能，其塑-脆轉(zhuǎn)變溫度較低，在250℃以上環(huán)境中，鉭金屬容易與空氣氣體發(fā)生反應(yīng)，為此，在高溫環(huán)境作業(yè)下，應(yīng)采取保護措施或設(shè)置真空環(huán)境，在低溫環(huán)境下，鉭金屬去抗腐蝕性能突出，該金屬物理性能如表1 所示。

1.2 鉭合金

摻入Zr、Mo、Nb、Re、V 等金屬元素，可以強化鉭金屬，此外，鉭合金在低溫環(huán)境下，其韌性十分突出，在-269℃環(huán)境中，其金屬塑性與韌性仍保持良好，可以有效改善加工性能。考慮到鉭金屬在高溫環(huán)境中容易出現(xiàn)氧化問題，應(yīng)采取保護措施，多采取表面涂覆方法，對鉭金屬表面進行有效處理。如應(yīng)用SA-Al 涂覆材料于鉭合金表層，該合金在1600℃高溫環(huán)境中仍不會被氧化，其效果較好。因純鉭強度較低，直接應(yīng)用無法滿足機械設(shè)備強度要求，為提高其應(yīng)用性能，開發(fā)出鉭合金。Ta-W二元系為最重要鉭合金系，其合金具備良好的高溫強度與抗蠕變性能，其加工塑性突出，廣泛應(yīng)用于電子、化工、原子能、宇航等工業(yè)部門。Ta-W二元系鉭合金如Ta-12W、Ta-15W 等，其強度及塑性良好，通過試驗可以檢測鉭合金力學(xué)性能，對其屈服強度、抗拉強度、延伸率及斷面收縮率等參數(shù)進行研究。試驗證明，鉭合金中鎢含量增加，其合金強度增加，對材料延伸率及斷面收縮率影響較低。

鉭基復(fù)合材料Ta-Ta2C，屬于一種耐蝕性十分高的新型復(fù)合材料，其材料可以解決一般耐蝕材料在熔鹽、熔融金屬、氯氣等苛刻腐蝕環(huán)境中耐蝕性不足問題，其耐蝕性突出，可以在850℃氯氣環(huán)境中工作，這種復(fù)合材料耐蝕性突出，主要是因其具備Ta2C，該復(fù)合材料構(gòu)件其應(yīng)用壽命較之鉭合金構(gòu)件高出八倍左右。

1.3 鉭及其合金應(yīng)用

1.3.1 電子工業(yè)領(lǐng)域

電子工業(yè)屬于鉭金屬最大用戶，鉭金屬對于H2SO4電解溶液，具備良好的玻璃-金屬焊縫性能與抗腐蝕性能。電子工業(yè)屬于鉭粉與鉭金屬加工產(chǎn)品最大市場，其應(yīng)用量占整體鉭金屬消費量的50%以上，主要為鉭電容器。在電容器中，鉭金屬主要表現(xiàn)為涂層、粉末、絲材、箔材等形式，鉭電容器其可靠性較高，工作性能穩(wěn)定，體積較小，漏電流少，與鋁電解電容器及陶瓷電容器競爭較為激烈。

1.3.2 航空航天領(lǐng)域

碳化鉭金屬其熔點在4000℃左右，熱力學(xué)穩(wěn)定性良好，可以有效促進成核，避免在凝固后期產(chǎn)生核晶脆性薄膜中析出碳。如在航空航天渦輪發(fā)動機中，其鉭金屬含量在12%以上，有效提高了發(fā)動機高溫綜合性能，此外，Ta-W 二元合金在噴氣發(fā)動機、飛機發(fā)動機耐高溫部件中應(yīng)用效果突出。為提高鉭鎢合金抗蠕變能力，可以在合金中摻入2.5%鉿，防止晶界出現(xiàn)滑移，如Ta-10W-2.5Hf 合金，為火箭噴管材料，在航天火箭中發(fā)揮著重要作用。

1.3.3 軍事武器領(lǐng)域

因鉭延展性及密度較高，其在防控武器裝置中應(yīng)用較為廣泛。如在穿甲彈、彈頭內(nèi)管結(jié)構(gòu)材料中多應(yīng)用鉭金屬。

1.3.4 化學(xué)工業(yè)及設(shè)備工程領(lǐng)域

化工工業(yè)中多應(yīng)用鉭、鉭鎢、鉭鈮等合金，因這些金屬其抗腐蝕能力較為突出。金屬鉭及其合金表面形成氧化物薄膜，可以有效阻擋材料氧化，可以用于硝酸、硫酸、鹽酸等溶盛裝，在鉭金屬中添加鎢，可以提高其強度，鎢含量多為2.5~15%，在閥門、配件、連接件、管道等設(shè)備中應(yīng)用較多。

2、鈮及其鈮合金與應(yīng)用研究

2.1 鈮概述

金屬鈮，具有著熱中子俘獲截面小，在腐蝕介質(zhì)環(huán)境中性能穩(wěn)定，塑-脆性轉(zhuǎn)變溫度較低，其缺點問題主要表現(xiàn)為容易氧化。

鈮金屬其物理性能如表2 所示。

2.2 鈮合金

添加Mo、Ta、V、W、Hf、Ti、Zr 等合金元素于鈮金屬中，可以形成合金含量較高的鈮合金金屬材料，鈮合金其加工性能較為突出，高溫力學(xué)性能突出，在高溫結(jié)構(gòu)材料中應(yīng)用十分廣泛。如在鈮合金中摻入一定鈦金屬，則可以有效提高鈮合金抗氧化性能。

2.2.1 高溫鈮合金分析

WC-103屬于一種新型高溫鈮合金材料，其密度值為8.86g/cm3，熔點值為2331℃依32.2℃，熱膨脹系數(shù)8.7伊10-6/℃，該鈮合金材料成形性與焊接性高于一般鈮合金，可以通過抗氧化材料涂覆，能夠滿足航空航天推進系統(tǒng)金屬要求。

2.2.2 鈮鈦等超導(dǎo)合金

鈮與鈦構(gòu)成NbTi 合金與鈮與錫構(gòu)成Nb3Sn 為當前應(yīng)用最為廣泛的超導(dǎo)材料。包層芯片擠壓法屬于鈮鈦等超導(dǎo)合金材料制作的主要方法，可以有效改善材料加工性能，此外，日本通過浸滲法制備了Nb3超導(dǎo)線。

2.2.3 含鈮鈦合金

Timet β21S 屬于一種新型鈦合金，其在815℃環(huán)境中，抗氧化性能突出，在更高溫度環(huán)境下其效果較好，其抗蠕變性能良好，優(yōu)于純碎鈦金屬。且含鈮鈦合金其冷鍛性突出，加工性能突出，在飛機骨架、石油儲運設(shè)備、發(fā)動機零件、腐蝕氣體儲存設(shè)備等方面應(yīng)用效果較好。

鈮基復(fù)合材料，是以Nb 及Nb-IZr 合金作為基體材料，通過ST300 合金制備為直徑為0.2mm 細絲作為增強材料，應(yīng)用電弧噴射法生產(chǎn)鈮基復(fù)合材料。這種材料在高溫環(huán)境下，增加鎢纖維量，其鈮基復(fù)合材料抗蠕變能力提高，該材料屬于航空航天工業(yè)中應(yīng)用中十分關(guān)鍵的材料。

2.3 鈮及鈮合金應(yīng)用

2.3.1 鋼鐵工業(yè)領(lǐng)域

鋼鐵工業(yè)屬于鈮金屬最大用戶，如美國超過75%的鈮金屬應(yīng)用于煉鋼中，于鋼中摻入0.03%左右的鈮金屬，可以將鋼的屈服強度提升至30%以上。依據(jù)鋼中鈮金屬含量，可以將其劃分為微鈮合金鋼、含鈮低合金鋼、含鈮高合金鋼，其中微鈮合金鋼其含有的合金元素較低，在建筑工程鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛，含鈮低合金鋼，多是在鉻、鎢、鎳等合金鋼中摻入鈮金屬，有效提高鋼強度及韌性，在核反應(yīng)堆、鍋爐等方面應(yīng)用較多，含鈮高合金鋼主要包括低溫鋼、耐熱鋼、不銹鋼、超高強度鋼等，多應(yīng)用于超高熱管、航空發(fā)動機、燃氣渦輪葉片等方面。

2.3.2 航空航天工業(yè)領(lǐng)域

在航空航天工業(yè)領(lǐng)域，其應(yīng)用鈮金屬量十分大，僅次于鋼鐵工業(yè)。鈮金屬在航空航天領(lǐng)域，多應(yīng)用于火箭及飛船發(fā)動機部位及耐熱部位，如Nb-IZr 等合金可以滿足火箭推進系統(tǒng)要求，可以應(yīng)用于阻力補償發(fā)動機、軌道調(diào)整發(fā)動機反作用控制發(fā)動機。

2.3.3 電子工業(yè)領(lǐng)域

電解電容器中應(yīng)用金屬鈮較多，其性能穩(wěn)定，此外，金屬鈮在紅外、激光技術(shù)等電子工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多。當前，超導(dǎo)裝置多應(yīng)用鈮金屬，如美國超導(dǎo)粒子加速器中則應(yīng)用大量鈮技術(shù)。

3、結(jié)語

為滿足工業(yè)設(shè)備性能需求，提高設(shè)備極端溫度下工作性能，確保設(shè)備運行質(zhì)量，對材料性能提出更高要求。鉭鈮屬于良好的工業(yè)金屬材料，其性能突出，可以在高溫環(huán)境、腐蝕環(huán)境中保持良好的運行狀態(tài)，在概述鉭鈮金屬的基礎(chǔ)上，對其合金進行研究，探討鉭鈮合金具體應(yīng)用。鉭鈮金屬及其合金在鋼鐵工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天領(lǐng)域等方面應(yīng)用十分廣泛，其綜合性能突出，未來應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻

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收稿日期：2014-2-18 作者簡介：呂棋（1986-），男，助理工程師，本科，主要從事貴金屬熔煉工作。