1、前言

鉭及鉭合金具有高密度、高熔點、耐腐蝕、優(yōu)異的高溫強度、良好的加工性和可焊性及低的塑/脆轉變溫度等優(yōu)良性能而廣泛應用于電子、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)等方面的新應用。旭隆金屬結合鉭合金在不同行業(yè)的應用需求，結合有關資料，將近幾年來鉭及鉭合金的新發(fā)展和應用分享如下。

2、鉭及鉭合金的應用

2.1 電子工業(yè)用鉭

鉭大部分應用于電子工業(yè)。根據(jù)有關資料報道，全球有60~65%的鉭用于電子工業(yè)，如鉭粉燒結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，鉭粉需求量較-2001年下半年增長了25%。隨著筆記本電腦、相機、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，在銅和硅中的擴散系數(shù)很小，熱導率大，粘接性好等優(yōu)異性能而 成為最佳的擴散隔層材料。這可能為鉭開發(fā)了一個較大的應用領域。目前芬蘭赫爾辛基理工大學的Tomi Laurila博士等詳細研究了Ta、TaC、Ta2N 擴散隔層在銅和硅中的穩(wěn)定性及氧元素對Cu/Ta/Si反應的影響。結果表明，一定厚度的Ta、TaC、Ta2N薄膜等均能成為銅和硅之間穩(wěn)定的擴散隔層。

2.2 高溫合金用鉭

鉭在高溫合金中的應用也日漸增加。目前國外性能較好的航空發(fā)動機葉片大部分由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國家實驗室和田納西州大學正在研究一系列地面基和航空發(fā)動機用高溫抗氧化Cr-Cr2Ta 合金。采用定向凝固技術可以制得均勻層狀Cr2Ta Laves 相的Cr-Cr2Ta 自生復合材料。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度和室溫斷裂韌性，如圖2所示。這是由于層狀結構使裂紋難以擴展，進而使其偏折、分叉并產(chǎn)生剪切筋，從而提高了材料的室溫斷裂韌性。這類合金的研究成功將提高燃氣渦輪機的熱效率，并將廣泛應用于葉片、密封件和噴嘴。此外，還可用于燃氣清潔系統(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小，顯微組織均勻性好，有一定的織構，這樣就大大提高了射流的穩(wěn)定性，進而改善了射流的侵徹性能。在未來10年內，美國對鉭藥型罩材料的研究將主要集中在：一方面改進加工技術，如電子束沉積、電鑄技術，并結合先進的電子背散射衍射分析技術，改善藥型罩材料的組織；另一方面盡量降低成本，以實現(xiàn)鉭藥 型罩材料的大規(guī)模實用。

此外，美國還研究了炮管濺射沉積鉭的技術，準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）。因為火炮管內表面接近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。美國太平洋西北實驗室（PNNL）和陸軍貝內特實驗室（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，部分補償了在炮膛內制造厚鉭涂層所需的較高費用；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。

目前在美國Los Aiamos國家實驗室主要應用(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（均為質量分數(shù)，下同），并進行了抗氧化性和抗腐蝕性的測試，如圖3。結果表明，Ta-20%Ti 合金擁有最優(yōu)的抗腐蝕性和良好的抗氧化性。但該項工作的主要難點在于如何制作大尺寸的鑄錠。

美國Texas州大學還將Ta-Ti 合金用做生物植入材料，以替代目前的Ti-6Al-4V，因為臨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大學正聯(lián)合研制W-Ta復合板，以替代鉭靶，即在燒結/ 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擴散層。結果表明W-Ta復合靶的中子產(chǎn)出率比純鉭靶高出20%以上。

3、結語

鉭和鉭合金優(yōu)異的綜合性能使其廣泛應用于電子、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 用領域。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)展和應用。此外，鉭和鉭合金在其他領域也得到了較快的發(fā)展，如Ta-Ti合金在醫(yī)學 上的應用，鉭作鎢靶的包覆材料等。

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