鉭鈮及其合金的特性與應用

1、鉭及其鉭合金與應用研究

1.1 鉭概述

鉭金屬，具備極好的室溫加工性能，其塑-脆轉變溫度較低，在250℃以上環境中，鉭金屬容易與空氣氣體發生反應，為此，在高溫環境作業下，應采取保護措施或設置真空環境，在低溫環境下，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，鉭合金在低溫環境下，其韌性十分突出，在-269℃環境中，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境中容易出現氧化問題，應采取保護措施，多采取表面涂覆方法，對鉭金屬表面進行有效處理。如應用SA-Al 涂覆材料于鉭合金表層，該合金在1600℃高溫環境中仍不會被氧化，其效果較好。因純鉭強度較低，直接應用無法滿足機械設備強度要求，為提高其應用性能，開發出鉭合金。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，廣泛應用于電子、化工、原子能、宇航等工業部門。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性能，對其屈服強度、抗拉強度、延伸率及斷面收縮率等參數進行研究。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。

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

1.3 鉭及其合金應用

1.3.1 電子工業領域

電子工業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。電子工業屬于鉭粉與鉭金屬加工產品最大市場，其應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 航空航天領域

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

1.3.3 軍事武器領域

因鉭延展性及密度較高，其在防控武器裝置中應用較為廣泛。如在穿甲彈、彈頭內管結構材料中多應用鉭金屬。

1.3.4 化學工業及設備工程領域

化工工業中多應用鉭、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、管道等設備中應用較多。

2、鈮及其鈮合金與應用研究

2.1 鈮概述

金屬鈮，具有著熱中子俘獲截面小，在腐蝕介質環境中性能穩定，塑-脆性轉變溫度較低，其缺點問題主要表現為容易氧化。

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，高溫力學性能突出，在高溫結構材料中應用十分廣泛。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金屬要求。

2.2.2 鈮鈦等超導合金

鈮與鈦構成NbTi 合金與鈮與錫構成Nb3Sn 為當前應用最為廣泛的超導材料。包層芯片擠壓法屬于鈮鈦等超導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超導線。

2.2.3 含鈮鈦合金

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

鈮基復合材料，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，應用電弧噴射法生產鈮基復合材料。這種材料在高溫環境下，增加鎢纖維量，其鈮基復合材料抗蠕變能力提高，該材料屬于航空航天工業中應用中十分關鍵的材料。

2.3 鈮及鈮合金應用

2.3.1 鋼鐵工業領域

鋼鐵工業屬于鈮金屬最大用戶，如美國超過75%的鈮金屬應用于煉鋼中，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，在建筑工程鋼結構中應用較為廣泛，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，在核反應堆、鍋爐等方面應用較多，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，多應用于超高熱管、航空發動機、燃氣渦輪葉片等方面。

2.3.2 航空航天工業領域

在航空航天工業領域，其應用鈮金屬量十分大，僅次于鋼鐵工業。鈮金屬在航空航天領域，多應用于火箭及飛船發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要求，可以應用于阻力補償發動機、軌道調整發動機反作用控制發動機。

2.3.3 電子工業領域

電解電容器中應用金屬鈮較多，其性能穩定，此外，金屬鈮在紅外、激光技術等電子工業領域應用較多。當前，超導裝置多應用鈮金屬，如美國超導粒子加速器中則應用大量鈮技術。

3、結語

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

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。