Applications of Tantalum in Military and Aerospace
& nbsp; & nbsp; A repülőgép- és katonai ipar számos kulcsfontosságú alkatrésze magas hőmérsékleti körülmények között működik, és termikus, mechanikai és vegyi folyamatok kölcsönhatásának vannak kitéve, ami komoly ablációt és kopást eredményez. Ezért a jó kopás- és ablációállósággal rendelkező anyagok magas hőmérsékleten sürgősen szükségesek a korszerű ipari területeken.
A katonai iparban és a repülőgépekben jelentkező kopási problémák
Az ablatív kopás által okozott veszélyek
& nbsp; & nbsp; A kopás és abláció olyan anyagi felületi károsodási jelenségek, amelyeket a termodinamika, a mechanika és a kémia kölcsönhatása okoz. Ezek az anyaghiba fő formái extrém magas hőmérsékleti körülmények között. A súrlódás és kopás magas hőmérsékleten súlyosabb, és a mechanizmus bonyolultabb. Kopási és égési körülmények között a munkadarab felületén továbbra is anyagveszteség, felületi kémiai összetétel változásai, hőhatású rétegképződés és felületi repedés fordul elő. A felület helyi károsodása végül az egész munkadarab meghibásodásához vezet, ami óriási erőforrások pazarlásához és gazdasági veszteségekhez vezet. Még biztonsági fenyegetést is jelent. Egy tipikus forgatókönyv, ahol ez történik, az a fegyverhordó. Ha egy munkadarab hiba történik a fegyveres berendezésen, az ütés hatalmas lehet.
Megoldás
& nbsp; & nbsp; A kopásállóság és ablációállóság problémáinak jelenlegi megoldása elsősorban védőbevonatok előkészítése, és jelenleg a krómozás az egyetlen olyan bevonattechnológia, amely nagymértékben használható hazai és külföldi. Bizonyos szélsőséges munkakörülmények között azonban a munkadarab felületének hőmérséklete 2200-3500 Celsius fok, amelyből a hő mintegy ötödét elnyeli a munkadarab anyaga, és a hőhatási idő 10 mikromásodperc. A munkadarab felületén lévő hőnek nincs ideje kifelé továbbítani, és nagy hőmérsékleti gradiens van. A keletkező hőfeszültség miatt a króm bevonat leesik.
& nbsp; & nbsp; Ezenkívül a magas hőmérséklet fokozza a reaktív gáz és a fém közötti kémiai kölcsönhatást a munkadarab felületén, ami alacsony olvadáspontú fémoxidok képződését eredményezi, ami tovább segíti a helyi területek olvadását a munkadarab felületén. Az olvadt területet fokozatosan le fogja hámozni a gázerózió és a mechanikai kopás. Ez az ablációs kopás sokszor gyorsabb, mint a normál kopás. Ugyanakkor a króm nagy keménységgel, nagy törékenységgel, valamint alacsony nyíró- és szakítószilárdsággal rendelkezik. Ezért a króm bevonatok nehéz megfelelni a meglévő kopási és ablációs követelményeknek, és sürgősen nagyobb teljesítményű bevonatok kifejlesztése.
Az új bevonatokra vonatkozó követelmények
& nbsp; & nbsp; Az új nagy teljesítményű bevonatok esetében a következő követelményeket kell teljesíteni: magas olvadáspont; jó magas hőmérsékleti szilárdság; reaktív gázok égésének ellenálló; az acél hőmechanikai tulajdonságainak megfelelő; jó kötés a hordozóval; A munkadarab mechanikai szilárdsága a hőhatások miatt csökken.
Anyag az ablatív kopás problémájának megoldására - tantál
A tantál (Ta), egy fém elem, testközpontú köbfázis domináns szerkezete. Olvadáspontja körülbelül 2996°C, második csak a szén, az európaium, a rénium és az ozmium. A tantál rugalmas modulusa hasonló az acélhoz, és jó vezetőképességgel és könnyű plaszticitással rendelkezik. Ezenkívül a tantál alacsony fémmobilitással és rendkívül magas korrózióállósággal rendelkezik. Szobahőmérsékleten nem korrodálható különböző erős savak (kivéve hidrogén-fluorid és füstölő kénsav). Ugyanakkor a tantál jó biokompatibilitással és jó kopásállósággal rendelkezik. Jelenleg a tantálfémet számos területen használják, mint például az orvosi, repülőgép, katonai ipar stb., különösen a repülőgép- és katonai területeken.
A tantál jó magas hőmérsékletű mechanikai tulajdonságai megfelelnek a kopási és ablációs körülmények követelményeinek. A tantál bevonatok ésszerű fejlesztése és hasznosítása javíthatja a munkadarabok élettartamát kopási és égési körülmények között, erőforrásokat takaríthat meg, ugyanakkor jó gazdasági előnyöket és biztonsági garanciákat érhet el. Lee és társai tantál bevonatot készítettek, és tanulmányozták a tantál bevonat és króm bevonat ablatív kopásállóságát. Ennek eredményeképpen a króm bevonat kopási sebessége 1200 kísérleti ciklus után jelentősen nőtt, míg a tantál bevonat stabil maradt.
Tantál alkalmazási példák
Ágyútest belső fedőanyaga
& nbsp; & nbsp; Amikor a puskapor felrobban, 2500-3500K hőmérsékletű és 300-800MPa nyomású faroklángot termel. A hátsó láng korrozív komponenseket tartalmaz, mint például H2S, CO, O2, H2, H2O, N2 és maradék puskapor. Ezért a tüzérségi hordó a lövedék kilövésekor a magas hőmérsékletű és nagynyomású lőporgáz fizikai és kémiai hatásain fog átélni (a magas hőmérsékletű gáz hőhatása, a nagy sebességű légáramlás eróziója, a belső furat lőporgáz maradvány általi korróziója és a belső fal kopása nagy sebességű mozgó lövedékek). Ebben a munkakörülményben a tüzérségi hordó belső furata súlyos ablációs erózión és kopáson esik keresztül, ami a belső furat geometriájában és méretében változásokat eredményez, ami közvetlenül befolyásolja a tüzérségi lövés pontosságát és a hordó élettartamát.
A tantál (Ta) jó fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkezik: tűzálló fém, amely magas olvadásponttal (olvadáspont 2996 ° C), alacsony hővezető képességgel (57W / m ° C), és jó kémiai korrózióállósággal szemben (ellenáll a savnak, a só és a szerves vegyi anyagok korróziójának), kiváló ablációállósággal és jó plaszticitással és szívóssággal szemben (bcc szerkezet Ta). Ezért a tantál vagy tantálötvözet bevonatok ideális bevonatrendszernek tekinthetők az elektroplált Cr bevonatok helyettesítésére ablációs ellenállás és eróziós ellenállás érdekében. Amennyiben a Ta réteget a tüzérségi hordóra kell alkalmazni, és hosszú távú védelmet szolgál a tűzgáz ablációjával szemben, a fröccsent Ta rétegnek főként α-Ta-ból kell állnia, amelynek vastagsága legalább 75 μm, és a bevonat és az aljzat között minden irányban megfelelő vastagsággal kell rendelkeznie. Kötőerő, hogy ellenálljon a hősokknak és a nagy nyírási feszültségnek a tüzérségi lövés során.
Lee és társai egy kísérleti triód fröccsenő rendszert használtak, hogy egy 50 ~ 125μm vastag Ta réteget helyezzenek el egy 20 mm belső átmérőjű acélbélésbe. 1500 élő cél teszt után a Ta réteg teljes volt, és jó védőhatást fejtett ki az aljzatra. Ezzel egyidejűleg Lee és társai 800 °C-os olvadt sót használtak, hogy α-Ta réteget készítsenek egy acélbélésben. 5034 élő cél tesztek után a bevonat még mindig sűrű és szorosan kötődött a mátrixhoz.
A páncélanyagok fejlesztésével a modern páncélellenes robbanófejek egyre magasabb követelményeket támasztanak a robbanóanyagokkal kialakított lőszer fedőanyagokra. A hosszabb és stabil sugár kialakulása a gyógyszerbedély által megköveteli, hogy a gyógyszerbedély anyaga nagy sűrűséggel, nagy zajsebességgel, jó hővezetőképességgel, nagy dinamikus törésnyúlással és egyéb tulajdonságokkal rendelkezzen. Ezenkívül a gyógyszerfedő anyagnak finom szemcsékkel, alacsony rekristallizációs hőmérséklettel, bizonyos textúrával és egyéb mikrostruktúra morfológiával kell rendelkeznie.
A tantál, a szegényített urán stb. kiváló átfogó tulajdonságokkal rendelkezik, mint például a nagy sűrűség, a nagy dinamikus nyúlás és a gyújtogatás. Különösen a tantálnak nagy sűrűsége (16,6 g/cm3) és jó dinamikai tulajdonságai vannak. Ez egy olyan anyag, amelyet elsősorban robbanásveszélyesen alakított lőszer borítására használnak külföldi kutatásokban. Robbanóanyagként a Ta-t széles körben használják az amerikai gyártású TOW-2B, TOW-NG és más rakétákban. Ballisztikus kísérletek azt mutatják, hogy behatolása 30% -35% -kal magasabb, mint a Cu, és elérheti a 150 mm-t.
Tantál űrhajós alkalmazásokban
A tantál kulcsfontosságú adalékanyag a magas hőmérsékletű ötvözetekben, különösen a nikkel alapú magas hőmérsékletű ötvözetekben. A tantált különböző ötvözetekhez, például nikkel-, kobalt- és vasalapú ötvözetekhez adják hozzá nagy teljesítményű ötvözetek, mint például szuperötvözetek, korrózióálló ötvözetek és kopásálló ötvözetek. Tantál magas hőmérsékletű ötvözet 800 ~ 1000 ℃ alatt működhet. A tantál hozzáadása elsősorban szilárd oldat erősítő szerepet játszik, és javítja az ötvözet végső szilárdságát, különösen a magas hőmérsékletű kúszási ellenállást, oxidációs ellenállást és korrózióállóságot. A kiváló magas hőmérsékletű szilárdság, a jó oxidációs ellenállás és a meleg korrózióállóság, a jó fáradtsági teljesítmény és a szuperötvözetek törési szilárdsága kulcsfontosságú anyagként szolgál magas hőmérsékletű alkatrészekhez, mint például a repülőgép turbina lapátok, vezetőlapátok és turbina korongok.
Jelenleg a külföldi országok szinte minden nagy teljesítményű katonai és polgári légi közlekedési motorja magas hőmérsékletű tantálötvözeteket használ a legmagasabb hőállósággal és a legnagyobb feszültségterheléssel rendelkező alkatrészeként. A közelmúltban kifejlesztett harmadik generációs tantál tartalmú egykristályos ötvözet olvadáspontja tovább javult, lehetővé téve az egykristályos turbina lapátok magasabb hőmérsékleten működnek, üzemanyagot takarítanak meg és hosszabb élettartamuk van.
& nbsp; & nbsp; Annak érdekében, hogy ellenálljon a magas hőmérsékletű ciklus vizsgálatának (1300°C/20 perc), az űrhajó alkatrészeinek felületét védőbevonattal kell bevonni, hogy javítsa oxidációs ellenállását. Ezért a gazdaságilag megvalósítható, stabil és megbízható magas hőmérsékletű védőbevonatok tanulmányozása nagy jelentőséggel bír a tantál magas hőmérsékletű alkalmazásában a repülőgépiparban. Magas olvadáspontja miatt a tantált főleg fűtőkemence alkatrészeként és sugárhajtómű alkatrészeként használják, és rendkívül fontos szerepet játszik a repülőgép- és rakétatechnológiában.
