1、前言

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

2、鉭及鉭合金的應用

2.1 電子工業用鉭

鉭大部分應用于電子工業。根據有關資料報道，全球有60~65%的鉭用于電子工業，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和控制系統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很大，這對電路是十分有害的。鉭由于具有熱穩定性，在銅和硅中的擴散系數很小，熱導率大，粘接性好等優異性能而 成為最佳的擴散隔層材料。這可能為鉭開發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部件（如熱氣過濾器）、油/氣井的鉆頭等。

2.3 武器系統用鉭

鉭和鉭合金由于具有高密度、高動態延伸率及縱火等優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，以實現鉭藥 型罩材料的大規模實用。

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。今后將繼續研究使用普通氬氣作為濺射氣體時產生具有;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，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境中易腐蝕的難題，從而延長了具有高中子產出率的鎢靶的壽命。

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復合靶的中子產出率比純鉭靶高出20%以上。

3、結語

鉭和鉭合金優異的綜合性能使其廣泛應用于電子、化工、武器等行業。隨著鉭電容器的迅速發展，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，這也可能為鉭開發一個較大的應 用領域。高溫合金的快速發展加速鉭在高溫材料的發展和應用。鉭和鉭合金優異的動態性能加速了其在武器系統的發展和應用。此外，鉭和鉭合金在其他領域也得到了較快的發展，如Ta-Ti合金在醫學 上的應用，鉭作鎢靶的包覆材料等。

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