Чистый тантал или тантало-вольфрамовый сплав

Что такое тантал высокой чистоты?

Тантал высокой чистоты - это металл Ta с обычной чистотой 99,9%, или 3N, а для критических применений - еще выше, до 99,99% и более (4N). На этом уровне чистоты тантал демонстрирует такое сочетание свойств, которое вряд ли может обеспечить какой-либо другой металл. Он химически инертен, демонстрирует отличную коррозионную стойкость, а также биосовместим; он может работать при очень высоких температурах, не вступая в реакцию с окружающей средой.

Одним из наиболее характерных свойств тантала высокой чистоты является его устойчивость к химическому воздействию. При контакте с воздухом или влагой на тантале образуется тонкий плотный оксидный слой, служащий естественным барьером. Эта пассивная пленка чрезвычайно стабильна, что позволяет танталу противостоять агрессивным кислотам, таким как соляная и азотная, и даже водной среде при различных условиях. Поэтому тантал высокой чистоты находит применение в оборудовании для химической обработки, теплообменниках и реакционных сосудах в количествах, не допускающих загрязнения или коррозии.

В механическом отношении тантал высокой чистоты сравнительно мягок и особенно пластичен. Его можно прокатывать в тонкие листы, вытягивать в тонкую проволоку или формовать в сложные формы без образования трещин. Отличная формуемость - одна из причин, по которой тантал предпочитают использовать в медицинских имплантатах и инструментах для производства полупроводников, где требуется точное формообразование; его пластичность также значительно упрощает сварку и изготовление по сравнению с большинством тугоплавких металлов.

Тантал высокой чистоты обладает отличной обрабатываемостью при высоких температурах, его температура плавления превышает 3000 °C. Однако, хотя он сохраняет устойчивость к высоким температурам, его механическая прочность снижается при повышении температуры и приложенного напряжения. Чистый тантал может испытывать ползучесть при длительных термических нагрузках, что означает, что он может медленно деформироваться с течением времени. Это ограничение актуально для применений, требующих длительных механических нагрузок при высоких температурах.

Другими словами, тантал высокой чистоты - это материал, который следует выбирать, когда коррозионная стойкость, чистота и биологическая совместимость важнее, чем чрезмерная механическая прочность.

Что касается тантало-вольфрамовых сплавов?

Тантало-вольфрамовый сплав был создан для того, чтобы попытаться преодолеть основные механические недостатки чистого тантала, сохранив при этом присущие ему преимущества. Добавление вольфрама, обычно в диапазоне от 2,5% до 10% по весу, усиливает его с резко повышенной прочностью, улучшенной термической стабильностью и гораздо лучшей устойчивостью к ползучести при повышенных температурах.

Вольфрам - один из самых плотных и высокоплавких металлов. При соединении с танталом атомы вольфрама растворяются в решетке тантала и препятствуют движению дислокаций в структуре металла. Этот эффект упрочнения из твердого раствора повышает предел текучести и прочность на растяжение при более высоких температурах, при которых чистый тантал начал бы размягчаться.

Одно из главных преимуществ тантало-вольфрамовых сплавов перед нелегированным танталом заключается в их сопротивлении ползучести. В аэрокосмических компонентах, деталях вакуумных печей и ядерных систем материалы подвергаются постоянным нагрузкам при высоких температурах в течение очень длительных периодов времени. В таких условиях тантало-вольфрамовые сплавы сопротивляются деформации и сохраняют механические свойства гораздо лучше, чем нелегированный тантал. Температура рекристаллизации также выше, а значит, сплав сохраняет свою микроструктуру и прочность даже после длительного термического воздействия.

Важно отметить, что добавление вольфрама не сильно ухудшает коррозионную стойкость тантала. Сплавы тантал-вольфрам по-прежнему высокоустойчивы во многих кислотах и агрессивных химических средах и, следовательно, находят применение в самых суровых химических и термических условиях.

Компромисс заключается в обрабатываемости. По сравнению с танталом высокой чистоты, тантало-вольфрамовые сплавы более твердые и менее пластичные. Для формовки, обработки и сварки требуются более контролируемые условия, более высокие усилия и больший опыт. По этой причине стоимость производства может быть выше, особенно при изготовлении сложных геометрических форм. Однако в тех случаях, когда механическая надежность при высокой температуре имеет решающее значение, такие трудности часто оказываются приемлемыми и ожидаемыми.

На практике тантало-вольфрамовые сплавы предпочтительнее для конструкционных/нагрузочных применений, а чистый тантал - для сред с преобладанием коррозии.

Таблица сравнительных данных

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, обратитесь к Stanford Advanced Materials (SAM).

Заключительная точка зрения

Выбор между танталом высокой чистоты и тантало-вольфрамовыми сплавами зависит не от того, какой материал "лучше", а от того, какой из них больше подходит для конкретной среды. Тантал высокой чистоты лучше всего подходит для химически агрессивных, чувствительных к загрязнениям и трудоемких производств. Сплавы тантал-вольфрам разработаны для обеспечения прочности, стабильности и долговременной работы в условиях высоких температур и/или механических нагрузок.