1、前言
鉭及鉭合金具有高密度、高熔點(diǎn)、耐腐蝕、優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、良好的加工性和可焊性及低的塑/脆轉(zhuǎn)變溫度等優(yōu)良性能而廣泛應(yīng)用于電子、化工、武器等多種行業(yè)。其中，美國對鉭和鉭合金研究得較深入，特別是武器和核動力系統(tǒng)等用鉭和鉭合金，如Ta-W、Ta-V、Ta-Hf、Ta-W-Hf、Ta-W-Hf-Re等系列合金。近年來，鉭及鉭合金的研究步伐較20世紀(jì)60~70年代有所減慢，但仍主要集中在電子、化工、高溫合金、武器系統(tǒng)等方面的新應(yīng)用。旭隆金屬結(jié)合鉭合金在不同行業(yè)的應(yīng)用需求，結(jié)合有關(guān)資料，將近幾年來鉭及鉭合金的新發(fā)展和應(yīng)用分享如下。
2、鉭及鉭合金的應(yīng)用
2.1 電子工業(yè)用鉭
鉭大部分應(yīng)用于電子工業(yè)。根據(jù)有關(guān)資料報道，全球有60~65%的鉭用于電子工業(yè)，如鉭粉燒結(jié)塊用于制作各種液體和固體鉭電容器的陽極，鉭絲用作電容器的陽極引線，鉭箔和鉭板用于鉭箔電容器、液體鉭電容器及一些特殊類型的固體鉭電容器。圖1反映了近幾年電容器級鉭粉的需求量。盡管2002年上半年鉭粉的需求量較2000年和2001年上半年有不同程度的降低，但2002年隨著鉭電容器需求量的增加而使鉭粉需求量下降的狀況得到扭轉(zhuǎn)，鉭粉需求量較-2001年下半年增長了25%。隨著筆記本電腦、相機(jī)、電子控制儀、移動電話及汽車的安全氣囊系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中鉭電容器用量的快速增加，鉭在電容器中的應(yīng)用量仍將增加。鈮電容器的發(fā)展也很迅速，但由于鈮電容器的極限工作溫度較低（不超過105℃），漏電率為鉭電容器的5~10倍，故目前鈮電容器對鉭電容器的用量還構(gòu)不成威脅。
最近，銅替代鋁成為大型/超大型集成電路的連接件材料，而銅和硅的相互擴(kuò)散系數(shù)很大，這對電路是十分有害的。鉭由于具有熱穩(wěn)定性，在銅和硅中的擴(kuò)散系數(shù)很小，熱導(dǎo)率大，粘接性好等優(yōu)異性能而
成為最佳的擴(kuò)散隔層材料。這可能為鉭開發(fā)了一個較大的應(yīng)用領(lǐng)域。目前芬蘭赫爾辛基理工大學(xué)的Tomi Laurila博士等詳細(xì)研究了Ta、TaC、Ta2N 擴(kuò)散隔層在銅和硅中的穩(wěn)定性及氧元素對Cu/Ta/Si反應(yīng)的影響。結(jié)果表明，一定厚度的Ta、TaC、Ta2N薄膜等均能成為銅和硅之間穩(wěn)定的擴(kuò)散隔層。
2.2 高溫合金用鉭
鉭在高溫合金中的應(yīng)用也日漸增加。目前國外性能較好的航空發(fā)動機(jī)葉片大部分由Ni基單晶超合金制成，且合金中鉭成分的比例越來越大。同時在美國Oak Ridge國家實(shí)驗(yàn)室和田納西州大學(xué)正在研究一系列地面基和航空發(fā)動機(jī)用高溫抗氧化Cr-Cr2Ta 合金。采用定向凝固技術(shù)可以制得均勻?qū)訝頒r2Ta Laves 相的Cr-Cr2Ta 自生復(fù)合材料。在這類合金中，鉻基固溶體呈現(xiàn)出良好的塑性和高溫抗氧化性，而Cr2Ta Laves 相則彌散于鉻基固溶體中改善合金體系的高溫強(qiáng)度和室溫?cái)嗔秧g性，如圖2所示。這是由于層狀結(jié)構(gòu)使裂紋難以擴(kuò)展，進(jìn)而使其偏折、分叉并產(chǎn)生剪切筋，從而提高了材料的室溫?cái)嗔秧g性。這類合金的研究成功將提高燃?xì)鉁u輪機(jī)的熱效率，并將廣泛應(yīng)用于葉片、密封件和噴嘴。此外，還可用于燃?xì)馇鍧嵪到y(tǒng)部件（如熱氣過濾器）、油/氣井的鉆頭等。
2.3 武器系統(tǒng)用鉭
鉭和鉭合金由于具有高密度、高動態(tài)延伸率及縱火等優(yōu)良特性已成功應(yīng)用于爆炸成形彈和破甲彈的藥型罩。但由于熔煉/塑性加工制作的鉭藥型罩成本太高，目前美國主要采用P/M法研制鉭藥型罩，以降低成本并取得了顯著成效。
美國陸軍裝備研發(fā)工程中心采用H.C.Starck公司的高純鉭粉研制的鉭藥型罩晶粒細(xì)小，顯微組織均勻性好，有一定的織構(gòu)，這樣就大大提高了射流的穩(wěn)定性，進(jìn)而改善了射流的侵徹性能。在未來10年內(nèi)，美國對鉭藥型罩材料的研究將主要集中在：一方面改進(jìn)加工技術(shù)，如電子束沉積、電鑄技術(shù)，并結(jié)合先進(jìn)的電子背散射衍射分析技術(shù)，改善藥型罩材料的組織；另一方面盡量降低成本，以實(shí)現(xiàn)鉭藥
型罩材料的大規(guī)模實(shí)用。
此外，美國還研究了炮管濺射沉積鉭的技術(shù)，準(zhǔn)備用鍍鉭身管替代目前大口徑火炮的鍍鉻身管（120mm坦克炮管和150mm曲射榴彈火炮管）。因?yàn)榛鹋诠軆?nèi)表面接近2000℃的高溫大大降低了炮管鍍
鉻層的壽命，而采用鍍鉭身管，其壽命將提高8倍以上。美國太平洋西北實(shí)驗(yàn)室（PNNL）和陸軍貝內(nèi)特實(shí)驗(yàn)室（Benet Lab）的研究工作尤為出色。研究表明：圓筒試樣基體溫度為200~300℃，使用氪和氙作為濺射氣體，有助于在4340鋼圓筒基體內(nèi)壁上形成致密的α相鉭涂層；用氪和氙氣作濺射氣體具有較高的濺射效率和較快的沉積速度，部分補(bǔ)償了在炮膛內(nèi)制造厚鉭涂層所需的較高費(fèi)用；使用氪作濺射氣體時，4340鋼圓筒基體的溫度超過200℃，才能產(chǎn)生具有100%體心立方晶格α相的鉭涂層。而使用最普通的氬氣作為濺射氣體，在200℃基體溫度下，則產(chǎn)生了含β和α相的鉭涂層，這對涂層的致密性是很不利的。今后將繼續(xù)研究使用普通氬氣作為濺射氣體時產(chǎn)生具有;100%體心立方晶格α相的鉭涂層的工藝技術(shù)。
目前在美國Los Aiamos國家實(shí)驗(yàn)室主要應(yīng)用(Ta-Ti 合金制作核原料Pu的熔煉坩堝和攪拌器。合金中通過加入鉭，以降低密度和提高合金的抗氧化性能。為此，他們分別研究了(Ta-20%、40%、60%Ti 合金（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），并進(jìn)行了抗氧化性和抗腐蝕性的測試，如圖3。結(jié)果表明，Ta-20%Ti 合金擁有最優(yōu)的抗腐蝕性和良好的抗氧化性。但該項(xiàng)工作的主要難點(diǎn)在于如何制作大尺寸的鑄錠。
美國Texas州大學(xué)還將Ta-Ti 合金用做生物植入材料，以替代目前的Ti-6Al-4V，因?yàn)榕R床研究分析表明鈦和Ti-6Al-4V中的鈦離子對身體有害。研究結(jié)果表明，時效Ta-Ti 合金樣品的耐腐蝕性更高，Ta-50%Ti 合金的強(qiáng)度及硬度也比Ti-6Al-4V 提高了58%。
2.5 包覆材料用鉭
鉭由于耐腐蝕、中子產(chǎn)出率高、與鎢的冶金相容性好而用作高能加速器中鎢固體靶的包覆材料。這樣就可解決鎢靶在質(zhì)子輻照的熱水環(huán)境中易腐蝕的難題，從而延長了具有高中子產(chǎn)出率的鎢靶的壽命。
目前，日本高能加速器研究所和Tohoku大學(xué)正聯(lián)合研制W-Ta復(fù)合板，以替代鉭靶，即在燒結(jié)/ 熱軋鎢板上通過真空電子束焊接包覆0.6mm厚的鉭層，并采用合適的熱等靜壓工藝形成一定厚度的W-Ta擴(kuò)散層。結(jié)果表明W-Ta復(fù)合靶的中子產(chǎn)出率比純鉭靶高出20%以上。
3、結(jié)語
鉭和鉭合金優(yōu)異的綜合性能使其廣泛應(yīng)用于電子、化工、武器等行業(yè)。隨著鉭電容器的迅速發(fā)展，其對鉭的需求仍將大幅增加。集成電路中銅替代鋁成為連接件材料，這也可能為鉭開發(fā)一個較大的應(yīng)
用領(lǐng)域。高溫合金的快速發(fā)展加速鉭在高溫材料的發(fā)展和應(yīng)用。鉭和鉭合金優(yōu)異的動態(tài)性能加速了其在武器系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。此外，鉭和鉭合金在其他領(lǐng)域也得到了較快的發(fā)展，如Ta-Ti合金在醫(yī)學(xué)
上的應(yīng)用，鉭作鎢靶的包覆材料等。
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