钽铌及其合金的特性与应用

1、钽及其钽合金与应用研究

1.1 钽概述

钽金属，具备极好的室温加工性能，其塑-脆转变温度较低，在250℃以上环境中，钽金属容易与空气气体发生反应，为此，在高温环境作业下，应采取保护措施或设置真空环境，在低温环境下，钽金属去抗腐蚀性能突出，该金属物理性能如表1 所示。

1.2 钽合金

掺入Zr、Mo、Nb、Re、V 等金属元素，可以强化钽金属，此外，钽合金在低温环境下，其韧性十分突出，在-269℃环境中，其金属塑性与韧性仍保持良好，可以有效改善加工性能。考虑到钽金属在高温环境中容易出现氧化问题，应采取保护措施，多采取表面涂覆方法，对钽金属表面进行有效处理。如应用SA-Al 涂覆材料于钽合金表层，该合金在1600℃高温环境中仍不会被氧化，其效果较好。因纯钽强度较低，直接应用无法满足机械设备强度要求，为提高其应用性能，开发出钽合金。Ta-W二元系为最重要钽合金系，其合金具备良好的高温强度与抗蠕变性能，其加工塑性突出，广泛应用于电子、化工、原子能、宇航等工业部门。Ta-W二元系钽合金如Ta-12W、Ta-15W 等，其强度及塑性良好，通过试验可以检测钽合金力学性能，对其屈服强度、抗拉强度、延伸率及断面收缩率等参数进行研究。试验证明，钽合金中钨含量增加，其合金强度增加，对材料延伸率及断面收缩率影响较低。

钽基复合材料Ta-Ta2C，属于一种耐蚀性十分高的新型复合材料，其材料可以解决一般耐蚀材料在熔盐、熔融金属、氯气等苛刻腐蚀环境中耐蚀性不足问题，其耐蚀性突出，可以在850℃氯气环境中工作，这种复合材料耐蚀性突出，主要是因其具备Ta2C，该复合材料构件其应用寿命较之钽合金构件高出八倍左右。

1.3 钽及其合金应用

1.3.1 电子工业领域

电子工业属于钽金属最大用户，钽金属对于H2SO4电解溶液，具备良好的玻璃-金属焊缝性能与抗腐蚀性能。电子工业属于钽粉与钽金属加工产品最大市场，其应用量占整体钽金属消费量的50%以上，主要为钽电容器。在电容器中，钽金属主要表现为涂层、粉末、丝材、箔材等形式，钽电容器其可靠性较高，工作性能稳定，体积较小，漏电流少，与铝电解电容器及陶瓷电容器竞争较为激烈。

1.3.2 航空航天领域

碳化钽金属其熔点在4000℃左右，热力学稳定性良好，可以有效促进成核，避免在凝固后期产生核晶脆性薄膜中析出碳。如在航空航天涡轮发动机中，其钽金属含量在12%以上，有效提高了发动机高温综合性能，此外，Ta-W 二元合金在喷气发动机、飞机发动机耐高温部件中应用效果突出。为提高钽钨合金抗蠕变能力，可以在合金中掺入2.5%铪，防止晶界出现滑移，如Ta-10W-2.5Hf 合金，为火箭喷管材料，在航天火箭中发挥着重要作用。

1.3.3 军事武器领域

因钽延展性及密度较高，其在防控武器装置中应用较为广泛。如在穿甲弹、弹头内管结构材料中多应用钽金属。

1.3.4 化学工业及设备工程领域

化工工业中多应用钽、钽钨、钽铌等合金，因这些金属其抗腐蚀能力较为突出。金属钽及其合金表面形成氧化物薄膜，可以有效阻挡材料氧化，可以用于硝酸、硫酸、盐酸等溶盛装，在钽金属中添加钨，可以提高其强度，钨含量多为2.5~15%，在阀门、配件、连接件、管道等设备中应用较多。

2、铌及其铌合金与应用研究

2.1 铌概述

金属铌，具有着热中子俘获截面小，在腐蚀介质环境中性能稳定，塑-脆性转变温度较低，其缺点问题主要表现为容易氧化。

铌金属其物理性能如表2 所示。

2.2 铌合金

添加Mo、Ta、V、W、Hf、Ti、Zr 等合金元素于铌金属中，可以形成合金含量较高的铌合金金属材料，铌合金其加工性能较为突出，高温力学性能突出，在高温结构材料中应用十分广泛。如在铌合金中掺入一定钛金属，则可以有效提高铌合金抗氧化性能。

2.2.1 高温铌合金分析

WC-103属于一种新型高温铌合金材料，其密度值为8.86g/cm3，熔点值为2331℃依32.2℃，热膨胀系数8.7伊10-6/℃，该铌合金材料成形性与焊接性高于一般铌合金，可以通过抗氧化材料涂覆，能够满足航空航天推进系统金属要求。

2.2.2 铌钛等超导合金

铌与钛构成NbTi 合金与铌与锡构成Nb3Sn 为当前应用最为广泛的超导材料。包层芯片挤压法属于铌钛等超导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，日本通过浸渗法制备了Nb3超导线。

2.2.3 含铌钛合金

Timet β21S 属于一种新型钛合金，其在815℃环境中，抗氧化性能突出，在更高温度环境下其效果较好，其抗蠕变性能良好，优于纯碎钛金属。且含铌钛合金其冷锻性突出，加工性能突出，在飞机骨架、石油储运设备、发动机零件、腐蚀气体储存设备等方面应用效果较好。

铌基复合材料，是以Nb 及Nb-IZr 合金作为基体材料，通过ST300 合金制备为直径为0.2mm 细丝作为增强材料，应用电弧喷射法生产铌基复合材料。这种材料在高温环境下，增加钨纤维量，其铌基复合材料抗蠕变能力提高，该材料属于航空航天工业中应用中十分关键的材料。

2.3 铌及铌合金应用

2.3.1 钢铁工业领域

钢铁工业属于铌金属最大用户，如美国超过75%的铌金属应用于炼钢中，于钢中掺入0.03%左右的铌金属，可以将钢的屈服强度提升至30%以上。依据钢中铌金属含量，可以将其划分为微铌合金钢、含铌低合金钢、含铌高合金钢，其中微铌合金钢其含有的合金元素较低，在建筑工程钢结构中应用较为广泛，含铌低合金钢，多是在铬、钨、镍等合金钢中掺入铌金属，有效提高钢强度及韧性，在核反应堆、锅炉等方面应用较多，含铌高合金钢主要包括低温钢、耐热钢、不锈钢、超高强度钢等，多应用于超高热管、航空发动机、燃气涡轮叶片等方面。

2.3.2 航空航天工业领域

在航空航天工业领域，其应用铌金属量十分大，仅次于钢铁工业。铌金属在航空航天领域，多应用于火箭及飞船发动机部位及耐热部位，如Nb-IZr 等合金可以满足火箭推进系统要求，可以应用于阻力补偿发动机、轨道调整发动机反作用控制发动机。

2.3.3 电子工业领域

电解电容器中应用金属铌较多，其性能稳定，此外，金属铌在红外、激光技术等电子工业领域应用较多。当前，超导装置多应用铌金属，如美国超导粒子加速器中则应用大量铌技术。

3、结语

为满足工业设备性能需求，提高设备极端温度下工作性能，确保设备运行质量，对材料性能提出更高要求。钽铌属于良好的工业金属材料，其性能突出，可以在高温环境、腐蚀环境中保持良好的运行状态，在概述钽铌金属的基础上，对其合金进行研究，探讨钽铌合金具体应用。钽铌金属及其合金在钢铁工业、电子工业、航空航天领域等方面应用十分广泛，其综合性能突出，未来应用前景广阔。

参考文献

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收稿日期：2014-2-18 作者简介：吕棋（1986-），男，助理工程师，本科，主要从事贵金属熔炼工作。