鉭棒鉭管鉭加工件等鉭合金特性與化工電子裝備領域的應用

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年由瑞典化學家A.G.Ekeberg發現，1922年在美國扇鋼公司進行工業化規模生產。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、優異的高溫強度、良好的加工性、可焊性及低的塑/脆轉變溫度等優點，其優異的動態力學性能及經氧化處理后表面形成致密、穩定、高介電常數的無定形氧化膜等特點而被廣泛應用于電子、化工、航空航天、武器裝備等領域。

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、武器裝備中的應用。利泰金屬結合相關資料，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變率非常敏感。室溫下，鉭的加工硬化度很低，可進行深度冷加工，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固溶體仍保持鉭的體心立方晶體結構，同時也保持了鉭材的易加工性能。

目前被工業廣泛應用的鉭合金主要有Ta一2.5W、Ta一8W一2Hf、Tawl0、TaW2以及Ta—Ta2C復合材料。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使鉭具有對于水溶陛物質和大多數液態金屬極佳的耐蝕性能，只有HF、發煙硫酸和苛性堿才能對其產生腐蝕作用。一般說來，太多數金屬及其合金在化工環境中的腐蝕速率為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、蒸發器、冷凝器、熱偶套管、(爆破)安全盤、容器襯和玻璃容器修復件等。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，可采用物理結合或爆炸粘結的方法。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備的選材對象。因為鉭對于硫酸工業來說具有相當的重要性，在濃度為96％、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，在達到230℃的條件下，鉭的鈍化性能還是良好的。硫酸蒸發器主要使用了Ta2.5W合金，該裝置鉭材蒸發器為內插式換熱器，內插管為不銹鋼管，管內介質為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環境中的抗氫脆性和耐蝕性較之傳統鉭合金高l～2個數量級，在侵蝕性硫酸溶液中要比普通鉭合金高出5～10倍。該新合金的力學性能與傳統鉭合金同等，可以采用同樣的加工方法進行加工制造。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 電子工業用鉭

電子工業是鉭材最大的用戶，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)，廣泛應用于電子計算機、雷達、導彈、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品，控制鉭材性能是關鍵因素，既要滿足加工要求，又要確保產品質量，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80年代，一種用于武器裝備系統的新型彈頭——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的長棒形穿甲彈頭，加速射向目標。EFP比傳統的動能式穿甲彈頭具有更強的穿透能力，傳統的藥型罩材料使用的是紫銅，在已經使用的幾十年中為破甲武器的應用作 出了極大的貢獻。目前紫銅作為傳統的EFP戰斗部藥型罩材料已不能適應防護裝甲技術的快速發展，這迫使戰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80年代后期就開始研究鉭作為戰斗部藥型罩材料的可能性，已取得較大成效，并在EFP戰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加工技術中，用來改善藥型罩材料的組織，降低生產成本。鉭及鉭合金藥型罩材料正在大規模被應用。

2.4 高溫應用

純鉭的熔點可達到2996℃，鉭合金在高溫爐用構件上是很好的材料，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良添加劑。這種合金主要用于制造渦輪元件和噴氣發動機零件，其需求量約90％是用于宇宙航行和航空工業。添加少量釔作為鉭的晶粒穩定劑，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合金現用于包裹宇宙熱電發電機熱源的強化結構材料。TaWl0合金是重要的火箭噴管材料，在航天和導彈技術中占有極其重要的地位例。

3、 結束語

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

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