Открытие тантала состоялось в 1802 году, однако для получения первого образца чистого металла понадобилось еще 100 лет. Нахождение этого редкого элемента в земной коре крайне незначительно (0,0002 %). При этом он встречается как в виде стабильного (181Та), так и в виде радиоактивного изотопа (180mТа).

Тантал находят в гранитных, щелочных, кабонатитных месторождениях, где он может присутствовать в составе более чем 60-ти минералов, включая колумбит-танталит, манганотанталит, воджинит, лопарит и др. Этот металл добывается Египте, Таиланде, Франции, Нигерии, Канаде, странах СНГ. Самым же крупным месторождением танталовых руд в мире считается австралийское – Гринбушес.

Свойства тантала

Главная особенность тантала – исключительная химическая стойкость перед сильными кислотами и расплавами ще­лочных металлов. Нагрев этого металла на воздухе до 200-300 о С приводит к его окислению, сопровождаемому образованием газонасыщенного слоя под окисной пленкой.

Физические характеристики тантала:

• плотность – 16,6 г/см 3
• температура плавления – 2996°С
• температура кипения – 5425°С
• теплота сгорания – 1346 кал/г
• теплопроводность при 20 о С – 0,13 кал/см-сек-град
• коэффициент линейного расширения при 20-500 о С – 6,6*10 -6

Сплавы тантала

Чтобы понять, для чего нужен тантал, стоит обратить внимание на его химические характеристики. Этот металл наделен слабыми химическими свойствами, поэтому не растворяется даже в царской водке. Эта его устойчивость используется при создании различных сплавов, в том числе идущих на изготовление металлических конструкций.

Лучшей легирующей добавкой тантала считают вольфрам, ниобий и молибден. Наиболее популярным и востребованным является сплав тантала и вольфрама (в количестве 10%), который отличается очень высоким пределом прочности – 96 кГ/мм 2 . Не менее распространен сплав тантала с гафнием, который выпускается в виде проката: листов, проволоки, полос, трубок и т.д.

Применение тантала

Применение тантала и его многочисленных сплавов весьма разнообразно:

• сухие электролитические кон­денсаторы
• нагреватели в вакуумных печах
• катоды косвенного нагрева
• основа для производства ряда кислот (H 2 SO 4 , HCl, HNO 3 и др.)

Благодаря стойкости металла к коррозии применение танталовых конденсаторов в радарных аппаратах и других электронных системах позволяет увеличить срок эксплуатации передатчиков до 10-12 лет. Используют тантал и ювелиры: этим металлом они часто заменят платину при изготовлении оболочек браслетов и часов.

Интересна и биологическая роль тантала, ведь он прекрасно воспринимается человеческим организмом, а потому идёт на производство пластин для черепных коробок, глазных протезов и материалов для сшивания нервных волокон.

Стоимость тантала

Стоимость тантала зависит от вида проката и на 05.15 г. составляла (за 1 кг):

• лист – $780
• пентаоксид – $300
• порошок – $590
• проволока – $1360
• пруток – $1180

Непрерывные ряды твёрдых растворов тантал образует с металлами, имеющими изоморфную кристаллическую структуру, примерно тот же размер атома и близко расположенными в ряду электроотрицательности, например с Nb, W, Mo, V, β-Ti и др. Ограниченные твёрдые растворы и металлиды образуются при большем различии в размерах атома и электроотрицательности, например с Al, Au, Be, Si, Ni. С Li, К, Na, Mg и некоторыми др. элементами тантал практически не образует ни твёрдых растворов, ни соединений.

Т. с. характеризуются высокими механическими свойствами при обычной температуре, жаропрочностью, коррозионной устойчивостью; они более экономичны, чем чистый тантал. Очень важны Т. с. с ниобием, наиболее близкие по свойствам к танталу, которые могут заменить дефицитный тантал во многих областях его применения. Особый интерес представляют жаропрочные Т. с. Тантал наряду с вольфрамом, молибденом и ниобием относят к «большой четвёрке» металлов, наиболее перспективных для создания на их основе высокотемпературных конструкционных материалов для самолётов, ракет, космических кораблей и т. п. Обычно тантал легируют W, Mo, V, Nb, Ti, Zr, Hf, Re, Cr, С и др. элементами. Из многих жаропрочных Т. с. наиболее важны сплавы с вольфрамом. Так, предел прочности при растяжении сплава с 10% W равен (Мн/м 2) 1265 (20 °С), то есть намного больше, чем для тантала; 661 (980 °С); 148 (1430 °С); 84 (1650 °С), или соответственно 126,5; 66,1; 14,8 и 8,4 кгс/мм 2 , относительное удлинение при тех же температурах 4,0; 4,2; 17,0 и 33,0%. Этот сплав более пластичен, чем вольфрам, не уступает ему по прочности и превосходит по сопротивлению окислению при температурах до 2800 °С; из него изготовляют детали камеры сгорания и сопла реактивных двигателей, передние кромки оперения самолётов. Для тех же целей применяют сплав с 8% W и 2% Hf, имеющий по сравнению со всеми другими деформируемыми жаропрочными сплавами наибольшую удельную прочность при высоких температурах. Пластичный сплав с 8% W и 2,5% Re предложен для изготовления нагревателей промышленных печей, теплозащитной обшивки и деталей ядерных силовых установок космических аппаратов.

В электронной технике применяют Т. с. с высокими электрическим сопротивлением и термоэмиссионными свойствами, содержащие до 7,5% W. По коррозионной стойкости Т. с., как правило, не могут конкурировать с чистым танталом, но иногда легированием удаётся повысить коррозионную стойкость металла; например, Т. с., содержащие более 18% W, почти не корродируют в 20%-ной плавиковой кислоте.

В производстве высокотемпературных и др. материалов перспективны бериллид тантала (в конструкциях авиационной и космической техники для изготовления деталей, работающих при температурах около 1500 °С), бориды тантала (покрытие листов тантала, контактирующих с расплавленными ураном и кальцием), силициды, нитриды и карбиды (материал оболочки тепловыделяющих элементов (См. Тепловыделяющий элемент)) тантала. Карбид TaC - важная составная часть некоторых металлокерамических твёрдых сплавов; например, в Японии в 1972 из общего количества потребленного тантала, равного 83т, 40т израсходовано в твердосплавной промышленности, а в США в 1973 из 600 т тантала 85-90 т использовано в виде карбида в производстве твёрдых сплавов. Ферротанталониобий иногда применяют для присадки в некоторые стали с целью предотвращения межкристаллитной коррозии и улучшения др. свойств, но из-за дефицитности тантала в этом случае предпочтительнее феррониобий. Дефицитность и относительно высокая стоимость тантала препятствуют его широкому применению и в виде Т. с.

Лит.: Тугоплавкие материалы в машиностроении. Справочник, М., 1967.

О. П. Колчин.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Танталовые сплавы" в других словарях:

Сплавы на основе тантала с добавками ниобия, вольфрама, циркония, гафния и др. элементов. Характеризуются высокой жаропрочностью и корроз. стойкостью в агрессивных в жидкометаллич. средах; на воздухе стойки до 500 оС, для работы при высоких темп… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Танталовые сплавы Энциклопедический словарь по металлургии

ТАНТАЛОВЫЕ СПЛАВЫ - сплавы на основе Та с добавками Nb, W, Mo, V и других элементов. Характеризуются высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью в различных средах. Применяются для изготовления сопел ракет, деталей реактивных двигателей и т. д … Металлургический словарь

Тантал (латинское Tantalum), Та, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 73, атомная масса 180,948; металл серого цвета со слегка свинцовым оттенком. В природе находится в виде двух изотопов: стабильного 181Та… …

I Тантал в древнегреческой мифологии лидийский или фригийский царь, сын Зевса, отец Пелопса и Ниобы (См. Ниоба). За то, что разгласил тайны олимпийцев, похитил с пира богов нектар и амбросию и, пригласив богов на пир, угостил их блюдом,… … Большая советская энциклопедия

index - 01 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ТЕРМИНОЛОГИЯ. СТАНДАРТИЗАЦИЯ. ДОКУМЕНТАЦИЯ 01.020 Терминология (принципы и координация) 01.040 Словари 01.040.01 Общие положения. Терминология. Стандартизация. Документация (Словари) 01.040.03 Услуги. Организация фирм,… … Стандарты Международной организации по стандартизации (ИСО)

- (France), Французская Pеспубликa (Republique Francaise), гос во в Зап. Eвропе. Пл. 551,0 тыс. км2. Hac. 55,6 млн. чел. (1987). Cтолица Париж. B адм. отношении разделена на 96 департаментов. B состав Ф. входят заморские департаменты… … Геологическая энциклопедия

Полезные ископаемые в недрах Земли, запасы которых оценены по геологическим данным. Месторождения полезных ископаемых распределены в земной коре неравномерно. Большинство видов минерального сырья представлено рудами, состоящими из минералов, т.е … Энциклопедия Кольера

Изобретение относится к металлургии тугоплавких металлов и сплавов и может быть использовано при выращивании однородных монокристаллов сплава вольфрам - тантал методом бестигельной зонной плавки с электронно-лучевым нагревом (ЭБЗП). Исходные компоненты - порошки вольфрама и тантала смешивают и изготовливают штабики путем гидростатического прессования смеси при давлении 140÷160 МПа в течение 3÷5 минут. Далее проводят термическую обработку штабиков в вакууме с остаточным давлением Р≤8·10-3 Па при температуре до 800°С. Затем продолжают обработку штабиков в восстановительной среде при избыточном давлении не менее 0,2 ати и температуре 800÷1000°С в течение не менее двух часов. После чего осуществляют процесс спекания штабиков в вакууме с остаточным давлением Р≤8·10-3 Па при температуре Т≥1500°С в течение не менее 2 часов с последующим охлаждением. Нагрев и охлаждение в условиях вакуума и восстановительной среды осуществляют со скоростью 300÷400°С/час. Монокристаллический слиток выращивают посредством бестигельной плавки с электронно-лученвым нагревом и заканчивают четной плавкой с затравлением на конец слитка нечетной плавки. Обеспечивается получение монокристаллов сплава вольфрам - тантал с повышенной степенью однородности распределения тантала по длине слитка. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к металлургии тугоплавких металлов и сплавов и может быть использовано при выращивании однородных монокристаллов сплава вольфрам-тантал методом бестигельной зонной плавки с электронно-лучевым нагревом (ЭБЗП).

Известен способ получения сплавов монокристаллов молибдена и вольфрама с помощью легирования проволокой или прутком, используемых в качестве лигатуры и закрепляемых на боковой поверхности исходной поликристаллической заготовки (Ястребков А.А., Афанасьев Н.Г., Репий В.А., Смирнов В.П. «Разработка жаропрочных монокристаллических сплавов на основе молибдена и вольфрама», Цветные металлы, 2007, №11, с.10-18).

Недостаток известного способа заключается в получении значительной неоднородности распределения легирующей примеси по длине монокристаллического слитка. Это в полной мере относится к монокристаллам сплава вольфрам-тантал, т.к. проволока или пруток плавятся раньше, чем вольфрам и лигатура попадают в расплав неравномерными порциями.

Наиболее близким к изобретению является принятый в качестве прототипа способ получения монокристаллов тугоплавких металлов с использованием штабиков, полученных методом порошковой металлургии. В известном способе штабики получают путем гидростатического прессования предварительно смешанных исходных порошков, термическую обработку штабиков в восстановительной среде, спекание их с последующим переплавом в поликристаллическую заготовку и выращивание из нее монокристаллического слитка посредством бестигельной зонной плавки с электронно-лучевым нагревом. Качество получаемых монокристаллов во многом определяется составом и количеством примесей, присутствующих в исходном штабике. Основной примесью в порошках тугоплавких металлов (соответственно и в штабиках) является кислород, присутствующий в виде различных оксидов металлов. Для их удаления штабики подвергают термической обработке в осушенном водороде или водородосодержащей среде. Это приводит к снижению содержания кислорода примерно на два порядка. Затем штабики переплавляют для получения поликристаллических заготовок, из которых на установке ЭБЗП выращивают монокристаллы тугоплавких металлов, в том числе и сплавов вольфрам-тантал (Савицкий Е.М., Бурханов Г.С., Поварова Е.Б. и др. «Тугоплавкие металлы и сплавы», М.: Металлургия, 1986, с.32-85).

Однако известный способ не позволяет получить монокристаллы сплава вольфрам-тантал с однородным распределением легирующего компонента (тантала) по длине монокристалла из-за невозможности получения штабиков вольфрама, легированного танталом, соответствующего качества. Вольфрам практически не взаимодействует с водородом, в то время как тантал интенсивно его поглощает с образованием широкой области твердых растворов и гидридных фаз. При термообработке это приводит к растрескиванию и частичному разрушению штабиков.

Технической задачей изобретения является получение монокристаллов сплава вольфрам-тантал с однородным распределением тантала по длине слитка.

Технический результат изобретения заключается в получении бездефектных штабиков сплава вольфрам-тантал и в повышении степени однородности распределения тантала по длине слитка.

Решение поставленной задачи и получение технического результата достигается тем, что в способе получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал, включающем изготовление штабиков путем гидростатического прессования предварительно смешанных исходных порошков, термическую обработку штабиков в восстановительной среде, спекание их с последующим переплавом в поликристаллическую заготовку и выращивание из нее монокристаллического слитка посредством бестигельной зонной плавки с электронно-лучевым нагревом, согласно изобретению гидростатическое прессование осуществляют при давлении 140÷160 МПа в течение 3÷5 минут, термическую обработку штабиков сначала проводят в вакууме с остаточным давлением Р≤8·10 -3 Па при температуре до 800°С, а затем продолжают обработку в восстановительной среде при избыточном давлении не менее 0,2 ати и температуре 800-1000°С в течение не менее двух часов, после чего осуществляют процесс спекания штабиков в вакууме с остаточным давлением Р≤8·10 -3 Па при температуре Т≥1500°С в течение не менее 2 часов с последующим охлаждением, причем нагрев и охлаждение в условиях вакуума и восстановительной среды осуществляют со скоростью 300÷400°С/ч, а процесс выращивания монокристаллического слитка заканчивают четной плавкой с затравлением на конец слитка нечетной плавки.

В способе получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал в качестве восстановительной среды может быть использована аргоно-водородная смесь с содержанием водорода 5÷7% об.

В качестве исходных компонентов может использоваться порошок вольфрама со средним размером зерна (по Фишеру) 1-5 мкм и порошок тантала со средним размером зерна 10-15 мкм. При использовании порошков с разными размерами частиц плотность упаковки и распределение исходных компонентов будут более равномерными, поскольку мелкие частицы заполняют пустоты между крупными.

Известно, что реакция водорода с танталом происходит при относительно низких (Т≤600°С) температурах. Осуществив нагрев заготовки до Т=800°С в условиях вакуума, дальнейшую термообработку при более высокой температуре можно проводить в водородосодержащей среде без каких-либо негативных последствий. В результате многочисленных экспериментов было установлено, что применение этого метода решило проблему целостности штабиков при проведении восстановительного отжига.

Формование длинномерных штабиков (отношение длины к диаметру ≥10) обычно проводится методом гидростатического прессования. Величина давления прессования ограничивается, с одной стороны, сохранением межчастичных контактов после снятия нагрузки, т.е. целостностью самого сформированного штабика, а с другой стороны, образованием сколов и трещин при больших удельных нагрузках. Кроме того, для эффективности восстановительных реакций в процессе спекания поверхность металлического «скелета» должна быть полностью доступна для газовой атмосферы, иначе говоря, не должно быть объемов с закрытой пористостью и, следовательно, полученная прессовка не должна иметь плотность более 60% от теоретической.

С учетом этих ограничений экспериментально было установлено, что давления прессования для порошков с размером зерна от 1 до 5 мкм составляет от 140 до 160 МПа. При этом плотность полученных штабиков варьировалась от 50 до 55% от теоретической.

Для предотвращения взрывоопасных ситуаций и снижения затрат на обеспечение безопасных условий труда спекание штабиков проводили в аргоно-водородной смеси с малыми добавками (от 5 до 7%) водорода.

При высоких температурах спекания (выше 1500°С) в штабиках происходит значительная усадка, при этом пористость уменьшается до значений от 20 до 25%, что сопровождается переходом от открытой пористости до закрытой. Закрытые (изолированные) поры непроницаемы для газовой среды и это приводит к неполному восстановлению пор и окружающих частиц. В процессе выращивания монокристаллов эти участки выделяют летучие окислы, что приводит к возникновению электрических разрядов и «отравлению» катода нагревательного узла электронно-лучевой пушки установки бестигельной зонной плавки. Поэтому восстановительный отжиг необходимо проводить в области температур, не приводящих к образованию закрытых пор. Экспериментально установлено, что выдержка штабиков при температуре от 800 до 1000°С в аргонно-водородной среде в течение 2 часов приводит к полному устранению большинства окисных примесей, практически не изменяя исходной пористости.

Реализацию предлагаемого способа получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал рассмотрим на примере сплава вольфрам-тантал, содержащего 3 мас.% тантала.

В качестве исходных компонентов использовали порошки вольфрама и тантала. Вольфрамовый порошок имел средний размер зерна (по Фишеру) от 1 до 3 мкм, порошок тантала состоял из более крупных частиц - от 10 до 15 мкм. Для увеличения текучести исходные порошки сушили в вакуумном сушильном шкафу ШСВ-65 при 300°С в течение 2 часов, после чего в расчетных количествах засыпали в емкость смесителя С 2,0 «Турбула» и перемешивали смесь в течение от 4 до 6 час. Подготовленную таким образом смесь засыпали в эластичную оболочку и прессовали в гидростате 4,2/5,3 МН при давлении жидкости от 140 до 160 МПа в течение от 3 до 5 минут. Прессованные штабики представляли собой цилиндры диаметром от 18 до 30 мм и длиной от 140 до 240 мм, которые затем помещали в электропечь типа СШВЛ 1,25/25 или СНВЭ 1.31/20. Печь вакуумировали до давления Р=8·10 -3 Па и поднимали температуру до Т=800°С со скоростью от 300 до 400°С/час, выдерживали при этой температуре 30 мин и заполняли камеру печи аргонно-водородной смесью до избыточного давления Р=0,2 ати. Затем температуру поднимали до Т=1000°С и выдерживали в течение 2 час. После выдержки печь снова вакуумировали до остаточного давления Р=8·10 -3 Па и поднимали температуру со скоростью от 300 до 400°С/ч до необходимых от 1500-1800°С и выдерживали при конечной температуре 2 ч. Охлаждение печи проводили с той же скоростью, что и нагрев. Полученные штабики переплавляли в поликристаллическую заготовку методом бестигельной зонной плавки. Диаметр заготовки задавали равным диаметру монокристалла или на 10-20% меньше. Выполнение данного требования отвечает, в числе прочих, условиям стабильного роста монокристалла. В процессе роста монокристалла сплава вольфрам-тантал формируется определенная картина распределения тантала по длине слитка. Равновесный коэффициент распределения тантала в вольфраме равен 0,8. Это означает, что в процессе роста монокристалла концентрация тантала будет от начало слитка к концу возрастать. Для уменьшения эффекта неоднородного распределения примеси по длине слитка необходимо провести второй или любой четный процесс роста, затравляясь каждый раз на конец слитка нечетного процесса. В этом случае будет наблюдаться процесс выравнивания концентрации примеси (тантала) по длине слитка.

В обоснование достижения технического результата были выращены по два слитка монокристаллов сплава W+3 мас.% Та по следующим технологическим схемам:

1 - по известной из литературы технологии легирования монокристалла проволокой или прутком;

2 - по предлагаемой технологии с использованием штабиков, полученных методом порошковой металлургии;

3 - по предлагаемой технологии с использованием штабиков, полученных методом порошковой металлургии, когда выращивание монокристаллического слитка заканчивают четной плавкой с затравлением на конец слитка нечетной плавки. В этом случае будет наблюдаться дальнейший процесс выравнивания концентрации примеси (тантала) по длине слитка.

Концентрацию тантала измеряли спектральным методом (Вольфрам. Методы спектрального анализа. ГОСТ 14339.5-9) на шайбах толщиной 5 мм, отрезанных через каждые 50 мм, начиная с нижнего торца слитка. Результаты измерений по каждому из трех способов представлены в таблице.

Таблица
№	Концентрация тантала, мас.%
0 мм	50 мм	100 мм	150 мм	200 мм	250 мм	300 мм	350 мм	400 мм
1	2.5	2,6	2,8	3,0	3,2	3,3	3,3	3,4	3,5
2	2,6	2,8	2,9	2,9	3,0	3,0	3,1	3,1	3,3
3	3,2	3,2	3,1	3,0	2,9	2,9	3,0	3,0	3,1

Как видно из данных таблицы, разброс концентрации тантала между максимальными и минимальными значениями в монокристалле сплава вольфрам-тантал для известного способа составляет более 25%, а для предложенного способа - 10%.

1. Способ получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал, включающий изготовление штабиков путем гидростатического прессования предварительно смешанных исходных компонентов, термическую обработку штабиков в восстановительной среде, спекание их с последующим переплавом в поликристаллическую заготовку и выращивание из нее монокристаллического слитка посредством бестигельной зонной плавки с электроннолучевым нагревом, отличающийся тем, что гидростатическое прессование осуществляют при давлении 140÷160 МПа в течение 3÷5 мин, термическую обработку штабиков сначала проводят в вакууме с остаточным давлением Р≤8·10 -3 Па при температуре до 800°С, а затем продолжают обработку в восстановительной среде при избыточном давлении не менее 0,2 ати и температуре 800÷1000°С в течение не менее 2 ч, после чего осуществляют процесс спекания штабиков в вакууме с остаточным давлением Р≤8·10 -3 Па при температуре Т≥1500°С в течение не менее 2 ч с последующим охлаждением, причем нагрев и охлаждение в условиях вакуума и восстановительной среды осуществляют со скоростью 300÷400°С/ч, а процесс выращивания монокристаллического слитка заканчивают четной плавкой с затравлением на конец слитка нечетной плавки.

2. Способ получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал по п.1, отличающийся тем, что в качестве восстановительной среды используют аргоно-водородную смесь с содержанием водорода 5÷7 об.%.

3. Способ получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал по п.1, отличающийся тем, что в качестве исходных компонентов используют порошок вольфрама со средним размером зерна 1-5 мкм и порошок тантала со средним размером зерна 10-15 мкм.

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии восстановления поверхности монокристаллической или полученной направленной кристаллизацией металлической детали, имеющей толщину Ws менее 2 мм, в которой лазерный луч и поток металлического порошка, имеющего ту же природу, что и металлическая деталь, подают на деталь с помощью сопла для получения, по меньшей мере, одного слоя монокристаллического или подвергшегося направленной кристаллизации от детали металла, при этом лазерный луч имеет мощность «Р» и перемещается вдоль детали со скоростью «v», в котором луч лазера и поток порошка подают на деталь соосно и отношение P/v находится в определенном диапазоне.

На основе тантала. У тантала сплавов высокая т-ра плавления (~ 3000° С), низкий коэфф. термического расширения, малая упругость паров, значительная кисло тостойкость. С вольфрамом, молибденом и рением образует типа твердого раствора. Прочность и жаропрочность таких сплавов возрастают с увеличением содержания легирующих элементов. Добавки гафния и циркония способствуют созданию дисперсноупрочненного состояния. Пром. применение нашли тантала с вольфрамом, и гафнием. и способствуют увеличению модуля упругости сплавов, повышают т-ру рекристаллизации и плавления, а также прочностные характеристики. Наиболее широко применяемый сплав тантала с вольфрамом (10%) в деформированном состоянии отличается до т-ры 8000 С самой высокой прочностью и технологической пластичностью. Добавки молибдена и циркония с последующим деформированием при т-ре 1980° С повышают предел прочности такого сплава более чем в два раза.

Сплавы с большим содержанием вольфрама (12,5%) плохо поддаются обработке давлением. Сплав тантала с вольфрамом и гафнием (2%) характеризуется высокой жаропрочностью и достаточной технологической пластичностью. Насыщение тантала сплава примесями внедрения (кислородом, азотом, углеродом) повышает прочность, но снижает пластичность. Значительной пластичностью (до 27%) в рекристаллизо-ванном состоянии и высоким сопротивлением ползучести отличается сплав тантала с вольфрамом (8%), рением (1%), гафнием (1%) и углеродом (0,025%). Предел прочности его на растяжение 73,8 кгс/мм2, предел текучести 59,8 кгс/мм2, т-ра его перехода из хрупкого состояния в вязкое ниже - 196 9 С. Тантала сплавы получают методами порошковой металлургии (прессованием с последующим спеканием), а также плавлением.

Порошки металла и прессуют под давлением ~ 21-85 кгс/мм2, при к-ром плотность достигает 60-70% от теоретической, после чего материал подвергают отжигу в вакууме при т-ре 1980-2500° С в течение нескольких часов. Иногда для полунения более плотного материала, обладающего высокой пластичностью, отжиги чередуют с ковкой или прокаткой. В произ-ве тантала сплавов распространены плавка с расходуемым электродом, электроннолучевая и вакуумная дуговая плавки. Плавка в вакууме приводит к значительному уменьшению содержания примесей. Более полная очистка от кислорода достигается раскислением расплава угле-родом. Электроннолучевая плавка, отличающаяся сравнительно небольшой скоростью, способствует (в условиях высокого вакуума) лучшей очистке сплавов от примесей внедрения.

Холодное деформирование сплава - (10%) (начальное обжатие 20%) повышает предел прочности с 55 до 80 кгс/мм2, дальнейшее обжатие (до 60-80%) слабо влияет на изменение прочности (80 -г- 100 кгс/мм2)у а более высокая степень пластической деформации резко увеличивает прочностной предел до 147 кгс/мм2. Этот сплав при т-ре 1650° С и времени до разрушения 10 мин в четыре раза прочнее, чем нелегированный . К тому же сплав тантал - (10%) электроннолучевой плавки отличается большей длительной прочностью, чем тот же сплав дуговой плавки. Скорость окисления сплава тантал - вольфрам (10%) составляет примерно 2/3 скорости окисления нелегированного тантала при т-ре 1200° С и выдержке 1-2 ч.

Листы сплава тантал - вольфрам (10%), сохраняющие достаточно хорошую пластичность после холодной прокатки, создают высокопластичные соединения при сварке электронным лучом в вакууме или вольфрамовым электродом в среде инертного газа. Относительное удлинение всех сплавов тантала после обжатия на 20% уменьшается с 58 до 10-15%. При 90%-ном обжатии их относительное удлинение 2-5%. Для повышения коррозионной стойкости тантала сплавы легируют ом, алюминием, хромом и бериллием. Полуфабрикаты из Т. с. изготовляют в виде лент, листов, проволоки, прутков и др. Т. с. применяют для изготовления электр. конденсаторов, деталей электронных ламп и хим. аппаратуры. Из сплава тантал - вольфрам (10%) изготовляют, кроме того, детали ракетных сопел, пружины электронных приборов.

Лит.: Редкие и сплавы. М., 1960; Савицкий Е. М. Бурханов Г. С Металловедение сплавов тугоплавких и редких металлов.

Статья на тему Тантала сплавы

Изобретение относится к металлургии тугоплавких металлов и сплавов и может быть использовано при выращивании однородных монокристаллов сплава вольфрам - тантал методом бестигельной зонной плавки с электронно-лучевым нагревом (ЭБЗП). Исходные компоненты - порошки вольфрама и тантала смешивают и изготовливают штабики путем гидростатического прессования смеси при давлении 140÷160 МПа в течение 3÷5 минут. Далее проводят термическую обработку штабиков в вакууме с остаточным давлением Р 8·10-3 Па при температуре до 800°С. Затем продолжают обработку штабиков в восстановительной среде при избыточном давлении не менее 0,2 ати и температуре 800÷1000°С в течение не менее двух часов. После чего осуществляют процесс спекания штабиков в вакууме с остаточным давлением Р 8·10-3 Па при температуре Т 1500°С в течение не менее 2 часов с последующим охлаждением. Нагрев и охлаждение в условиях вакуума и восстановительной среды осуществляют со скоростью 300÷400°С/час. Монокристаллический слиток выращивают посредством бестигельной плавки с электронно-лученвым нагревом и заканчивают четной плавкой с затравлением на конец слитка нечетной плавки. Обеспечивается получение монокристаллов сплава вольфрам - тантал с повышенной степенью однородности распределения тантала по длине слитка. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к металлургии тугоплавких металлов и сплавов и может быть использовано при выращивании однородных монокристаллов сплава вольфрам-тантал методом бестигельной зонной плавки с электронно-лучевым нагревом (ЭБЗП).

Известен способ получения сплавов монокристаллов молибдена и вольфрама с помощью легирования проволокой или прутком, используемых в качестве лигатуры и закрепляемых на боковой поверхности исходной поликристаллической заготовки (Ястребков А.А., Афанасьев Н.Г., Репий В.А., Смирнов В.П. «Разработка жаропрочных монокристаллических сплавов на основе молибдена и вольфрама», Цветные металлы, 2007, № 11, с.10-18).

Недостаток известного способа заключается в получении значительной неоднородности распределения легирующей примеси по длине монокристаллического слитка. Это в полной мере относится к монокристаллам сплава вольфрам-тантал, т.к. проволока или пруток плавятся раньше, чем вольфрам и лигатура попадают в расплав неравномерными порциями.

Наиболее близким к изобретению является принятый в качестве прототипа способ получения монокристаллов тугоплавких металлов с использованием штабиков, полученных методом порошковой металлургии. В известном способе штабики получают путем гидростатического прессования предварительно смешанных исходных порошков, термическую обработку штабиков в восстановительной среде, спекание их с последующим переплавом в поликристаллическую заготовку и выращивание из нее монокристаллического слитка посредством бестигельной зонной плавки с электронно-лучевым нагревом. Качество получаемых монокристаллов во многом определяется составом и количеством примесей, присутствующих в исходном штабике. Основной примесью в порошках тугоплавких металлов (соответственно и в штабиках) является кислород, присутствующий в виде различных оксидов металлов. Для их удаления штабики подвергают термической обработке в осушенном водороде или водородосодержащей среде. Это приводит к снижению содержания кислорода примерно на два порядка. Затем штабики переплавляют для получения поликристаллических заготовок, из которых на установке ЭБЗП выращивают монокристаллы тугоплавких металлов, в том числе и сплавов вольфрам-тантал (Савицкий Е.М., Бурханов Г.С., Поварова Е.Б. и др. «Тугоплавкие металлы и сплавы», М.: Металлургия, 1986, с.32-85).

Однако известный способ не позволяет получить монокристаллы сплава вольфрам-тантал с однородным распределением легирующего компонента (тантала) по длине монокристалла из-за невозможности получения штабиков вольфрама, легированного танталом, соответствующего качества. Вольфрам практически не взаимодействует с водородом, в то время как тантал интенсивно его поглощает с образованием широкой области твердых растворов и гидридных фаз. При термообработке это приводит к растрескиванию и частичному разрушению штабиков.

Технической задачей изобретения является получение монокристаллов сплава вольфрам-тантал с однородным распределением тантала по длине слитка.

Технический результат изобретения заключается в получении бездефектных штабиков сплава вольфрам-тантал и в повышении степени однородности распределения тантала по длине слитка.

Решение поставленной задачи и получение технического результата достигается тем, что в способе получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал, включающем изготовление штабиков путем гидростатического прессования предварительно смешанных исходных порошков, термическую обработку штабиков в восстановительной среде, спекание их с последующим переплавом в поликристаллическую заготовку и выращивание из нее монокристаллического слитка посредством бестигельной зонной плавки с электронно-лучевым нагревом, согласно изобретению гидростатическое прессование осуществляют при давлении 140÷160 МПа в течение 3÷5 минут, термическую обработку штабиков сначала проводят в вакууме с остаточным давлением Р 8·10 -3 Па при температуре до 800°С, а затем продолжают обработку в восстановительной среде при избыточном давлении не менее 0,2 ати и температуре 800-1000°С в течение не менее двух часов, после чего осуществляют процесс спекания штабиков в вакууме с остаточным давлением Р 8·10 -3 Па при температуре Т 1500°С в течение не менее 2 часов с последующим охлаждением, причем нагрев и охлаждение в условиях вакуума и восстановительной среды осуществляют со скоростью 300÷400°С/ч, а процесс выращивания монокристаллического слитка заканчивают четной плавкой с затравлением на конец слитка нечетной плавки.

В способе получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал в качестве восстановительной среды может быть использована аргоно-водородная смесь с содержанием водорода 5÷7% об.

В качестве исходных компонентов может использоваться порошок вольфрама со средним размером зерна (по Фишеру) 1-5 мкм и порошок тантала со средним размером зерна 10-15 мкм. При использовании порошков с разными размерами частиц плотность упаковки и распределение исходных компонентов будут более равномерными, поскольку мелкие частицы заполняют пустоты между крупными.

Известно, что реакция водорода с танталом происходит при относительно низких (Т 600°С) температурах. Осуществив нагрев заготовки до Т=800°С в условиях вакуума, дальнейшую термообработку при более высокой температуре можно проводить в водородосодержащей среде без каких-либо негативных последствий. В результате многочисленных экспериментов было установлено, что применение этого метода решило проблему целостности штабиков при проведении восстановительного отжига.

Формование длинномерных штабиков (отношение длины к диаметру 10) обычно проводится методом гидростатического прессования. Величина давления прессования ограничивается, с одной стороны, сохранением межчастичных контактов после снятия нагрузки, т.е. целостностью самого сформированного штабика, а с другой стороны, образованием сколов и трещин при больших удельных нагрузках. Кроме того, для эффективности восстановительных реакций в процессе спекания поверхность металлического «скелета» должна быть полностью доступна для газовой атмосферы, иначе говоря, не должно быть объемов с закрытой пористостью и, следовательно, полученная прессовка не должна иметь плотность более 60% от теоретической.

С учетом этих ограничений экспериментально было установлено, что давления прессования для порошков с размером зерна от 1 до 5 мкм составляет от 140 до 160 МПа. При этом плотность полученных штабиков варьировалась от 50 до 55% от теоретической.

Для предотвращения взрывоопасных ситуаций и снижения затрат на обеспечение безопасных условий труда спекание штабиков проводили в аргоно-водородной смеси с малыми добавками (от 5 до 7%) водорода.

При высоких температурах спекания (выше 1500°С) в штабиках происходит значительная усадка, при этом пористость уменьшается до значений от 20 до 25%, что сопровождается переходом от открытой пористости до закрытой. Закрытые (изолированные) поры непроницаемы для газовой среды и это приводит к неполному восстановлению пор и окружающих частиц. В процессе выращивания монокристаллов эти участки выделяют летучие окислы, что приводит к возникновению электрических разрядов и «отравлению» катода нагревательного узла электронно-лучевой пушки установки бестигельной зонной плавки. Поэтому восстановительный отжиг необходимо проводить в области температур, не приводящих к образованию закрытых пор. Экспериментально установлено, что выдержка штабиков при температуре от 800 до 1000°С в аргонно-водородной среде в течение 2 часов приводит к полному устранению большинства окисных примесей, практически не изменяя исходной пористости.

Реализацию предлагаемого способа получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал рассмотрим на примере сплава вольфрам-тантал, содержащего 3 мас.% тантала.

В качестве исходных компонентов использовали порошки вольфрама и тантала. Вольфрамовый порошок имел средний размер зерна (по Фишеру) от 1 до 3 мкм, порошок тантала состоял из более крупных частиц - от 10 до 15 мкм. Для увеличения текучести исходные порошки сушили в вакуумном сушильном шкафу ШСВ-65 при 300°С в течение 2 часов, после чего в расчетных количествах засыпали в емкость смесителя С 2,0 «Турбула» и перемешивали смесь в течение от 4 до 6 час. Подготовленную таким образом смесь засыпали в эластичную оболочку и прессовали в гидростате 4,2/5,3 МН при давлении жидкости от 140 до 160 МПа в течение от 3 до 5 минут. Прессованные штабики представляли собой цилиндры диаметром от 18 до 30 мм и длиной от 140 до 240 мм, которые затем помещали в электропечь типа СШВЛ 1,25/25 или СНВЭ 1.31/20. Печь вакуумировали до давления Р=8·10 -3 Па и поднимали температуру до Т=800°С со скоростью от 300 до 400°С/час, выдерживали при этой температуре 30 мин и заполняли камеру печи аргонно-водородной смесью до избыточного давления Р=0,2 ати. Затем температуру поднимали до Т=1000°С и выдерживали в течение 2 час. После выдержки печь снова вакуумировали до остаточного давления Р=8·10 -3 Па и поднимали температуру со скоростью от 300 до 400°С/ч до необходимых от 1500-1800°С и выдерживали при конечной температуре 2 ч. Охлаждение печи проводили с той же скоростью, что и нагрев. Полученные штабики переплавляли в поликристаллическую заготовку методом бестигельной зонной плавки. Диаметр заготовки задавали равным диаметру монокристалла или на 10-20% меньше. Выполнение данного требования отвечает, в числе прочих, условиям стабильного роста монокристалла. В процессе роста монокристалла сплава вольфрам-тантал формируется определенная картина распределения тантала по длине слитка. Равновесный коэффициент распределения тантала в вольфраме равен 0,8. Это означает, что в процессе роста монокристалла концентрация тантала будет от начало слитка к концу возрастать. Для уменьшения эффекта неоднородного распределения примеси по длине слитка необходимо провести второй или любой четный процесс роста, затравляясь каждый раз на конец слитка нечетного процесса. В этом случае будет наблюдаться процесс выравнивания концентрации примеси (тантала) по длине слитка.

В обоснование достижения технического результата были выращены по два слитка монокристаллов сплава W+3 мас.% Та по следующим технологическим схемам:

1 - по известной из литературы технологии легирования монокристалла проволокой или прутком;

2 - по предлагаемой технологии с использованием штабиков, полученных методом порошковой металлургии;

3 - по предлагаемой технологии с использованием штабиков, полученных методом порошковой металлургии, когда выращивание монокристаллического слитка заканчивают четной плавкой с затравлением на конец слитка нечетной плавки. В этом случае будет наблюдаться дальнейший процесс выравнивания концентрации примеси (тантала) по длине слитка.

Концентрацию тантала измеряли спектральным методом (Вольфрам. Методы спектрального анализа. ГОСТ 14339.5-9) на шайбах толщиной 5 мм, отрезанных через каждые 50 мм, начиная с нижнего торца слитка. Результаты измерений по каждому из трех способов представлены в таблице.

Таблица
№	Концентрация тантала, мас.%
0 мм	50 мм	100 мм	150 мм	200 мм	250 мм	300 мм	350 мм	400 мм
1	2.5	2,6	2,8	3,0	3,2	3,3	3,3	3,4	3,5
2	2,6	2,8	2,9	2,9	3,0	3,0	3,1	3,1	3,3
3	3,2	3,2	3,1	3,0	2,9	2,9	3,0	3,0	3,1

Как видно из данных таблицы, разброс концентрации тантала между максимальными и минимальными значениями в монокристалле сплава вольфрам-тантал для известного способа составляет более 25%, а для предложенного способа - 10%.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал, включающий изготовление штабиков путем гидростатического прессования предварительно смешанных исходных компонентов, термическую обработку штабиков в восстановительной среде, спекание их с последующим переплавом в поликристаллическую заготовку и выращивание из нее монокристаллического слитка посредством бестигельной зонной плавки с электроннолучевым нагревом, отличающийся тем, что гидростатическое прессование осуществляют при давлении 140÷160 МПа в течение 3÷5 мин, термическую обработку штабиков сначала проводят в вакууме с остаточным давлением Р 8·10 -3 Па при температуре до 800°С, а затем продолжают обработку в восстановительной среде при избыточном давлении не менее 0,2 ати и температуре 800÷1000°С в течение не менее 2 ч, после чего осуществляют процесс спекания штабиков в вакууме с остаточным давлением Р 8·10 -3 Па при температуре Т 1500°С в течение не менее 2 ч с последующим охлаждением, причем нагрев и охлаждение в условиях вакуума и восстановительной среды осуществляют со скоростью 300÷400°С/ч, а процесс выращивания монокристаллического слитка заканчивают четной плавкой с затравлением на конец слитка нечетной плавки.

2. Способ получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал по п.1, отличающийся тем, что в качестве восстановительной среды используют аргоно-водородную смесь с содержанием водорода 5÷7 об.%.

3. Способ получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал по п.1, отличающийся тем, что в качестве исходных компонентов используют порошок вольфрама со средним размером зерна 1-5 мкм и порошок тантала со средним размером зерна 10-15 мкм.

Отчетность