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2023

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钽在军工与航天中的应用

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  航空航天、军事工业中很多的关键部件在高温条件下工作,受到热、机械以及化学三种过程的交互作用,烧蚀磨损严重。因此,在高温下具有良好耐磨损烧蚀性能的材料是尖端工业领域的迫切需求。
  1、军事工业与航空航天中的烧蚀磨损问题
  1.1
  烧蚀磨损带来的危害
  磨损与烧蚀是热力学、机械以及化学三种过程交互作用而造成的材料表面破坏现象,是高温极端工况下材料失效的主要形式,高温下的摩擦磨损更加剧烈,机制更加复杂。在磨损烧烛工况下,工件表面不断发生材料的流失、表面化学成分变化、形成热影响层以及表面的开裂,表面的局部破坏最终将导致整个工件失效,造成巨大的资源浪费、经济损失,甚至还构成安全威胁。这一情况发生的一个典型场景就是位于炮管之中,如果在武器装备上发生工件失效问题,其影响可能是巨大的。
  1.2
  解决办法
  目前对于耐磨损与耐烧蚀问题的解决方案主要就是进行保护涂层的制备,而镀铬是目前国内外唯一可以大规模使用的涂层技术。但是在某些极端工况下,工件表面的温度高达2200~3500摄氏度,其中约五分之一的热量为工件材料吸收,而热作用时间为10微秒。工件表面热量来不及向外传递,存在较大的温度梯度,由此造成的热应力会造成铬涂层的脱落。
  此外,高温也加剧了反应性气体与工件表面金属的化学作用,使得低溶点金属氧化物的形成,这就进一步促成了工件表面局部区域的融化。而融化的区域则会在气体的冲刷与机械磨损下被逐渐剥离,这种烧蚀磨损比正常磨损快很多倍。同时还存在铬硬度较高、脆性大,而剪切和抗拉强度较低。因此铬涂层已经很难满足现有的磨损烧蚀要求,研发更高性能的涂层已经迫在眉睫。
  1.3
  对新型涂层的要求
  对于新型的高性能涂层来说需要满足以下要求:高熔点;良好的高温强度;可抵抗反应性气体的烧烛;热机械性能与钢材相匹配;与基体结合良好;且需一定厚度以保护工件由于热作用引起的机械强度降低。
  2、烧蚀磨损问题的解决材料——钽
  钽(Ta),金属元素,以体心立方a相为主导结构,其熔点约2996℃,仅次于碳、铕、铼和锇。钽的弹性模量与钢类似,具有良好的传导性和易塑性。除此之外,钽的金属活动性较低,具有极高的抗腐蚀性,常温下各种强酸无法腐蚀(除氟化氢和发烟硫酸)。同时钽还具有良好的生物相容性、良好的耐磨性能等。目前钽金属已经被应用于诸如医疗、航空航天、军事工业等多个领域,特别是在航空航天和军事领域。
  钽良好的高温机械性能满足磨损与烧蚀工况的要求,钽涂层合理的开发利用可以提高磨损烧烛工况下的工件寿命、节约资源,同时还能够获得良好的经济效益和安全保障。Lee等制备了钽涂层,并研究了钽涂层与铬涂层的耐烧蚀磨损性能,结果1200次循环实验后铬涂层的磨损率明显上升,而钽涂层仍然保持稳定。
  3、钽应用实例
  3.1
  炮身内覆材料
  火药在爆炸时产生温度可达2500~3500K,压力可达300~800MPa的尾焰,尾焰中含有H2S,CO,O2,H2,H2O,N2及火药残留颗粒等侵蚀性成分。因此,火炮身管在弹丸发射时将经受高温高压火药气体的物理化学作用(高温气体的热作用、高速气流的冲刷、火药气体残渣对内膛的腐蚀、高速运动弹丸对内壁的磨损)。在此工况下,火炮身管内膛将承受剧烈的烧蚀侵蚀和磨损导致内膛几何形状和尺寸发生改变,直接影响火炮的射击精度及其身管的寿命。
  钽(Ta)有着良好的物理、化学性能:属高熔点难熔金属(熔点2996℃)、较低的热传导率(57W/m℃)、良好的抗化学腐蚀能力(在高温下能抗酸、盐及有机化学物的腐蚀)、优异的抗烧蚀能力及良好的塑、韧性(bcc结构Ta)。因此,钽或钽合金涂层被认为是替代耐烧蚀、抗冲刷用电镀Cr涂层的理想涂层体系。Ta层若要应用于火炮身管并起到长时间防火药气体烧蚀的目的,溅射Ta层应主要由α-Ta组成、厚度至少在75μm、涂层与基体各个方向上要有足够的结合力,以抵御火炮发射过程的热震及高剪切应力。
  Lee等利用试验三极管溅射系统在20mm内径钢制膛线衬管内沉积了50~125μm厚Ta层,经1500次实弹靶试后,Ta层完整,对基体起到了良好的保护作用。同时Lee等利用800℃熔融盐在钢制膛线衬管内制备了α-Ta层,经5034次实弹靶试后涂层依然致密且与基体结合紧密。
  3.2
  穿甲弹中的应用
  随着装甲材料的发展,现代反装甲战斗部对爆炸成形弹药型罩材料的要求也越来越高。药型罩形成更长而且稳定的射流要求药型罩材料具备高密度、高声速、良好的导热性、高动态断裂延伸率等性能。此外,药型罩材料还要求具有细晶粒、低的再结晶温度,一定的织构等显微组织形态。
  钽、贫铀等具有高密度,高动态延伸率及纵火等优良的综合特性。尤其是钽的密度高(16.6g/cm3)和拥有良好的动态特性,是国外研究主要用于爆炸成形弹药型罩的一种材料。Ta作为爆炸成形弹药型罩材料,被广泛地应用到美制TOW-2B、TOW-NG等导弹中。弹道实验表明,Ta的亲彻性比Cu高30%~35%,可以达到150mm。
  3.3
  钽在航天器中的应用
  钽是高温合金,特别是镍基高温合金的关键性添加剂。钽添加到镍基、钴基和铁基等各种合金中,可以制造超合金、耐蚀合金、耐磨合金等高性能合金。钽高温合金可以在800~1000℃以下工作。加入钽主要是起固溶强化作用,提高合金的极限强度特别是高温抗蠕变强度、抗氧化性能和耐腐蚀性能。高温合金优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、良好的疲劳性能和断裂韧性等综合性能,使其成为航空发动机涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘等高温部件的关键材料。
  目前国外几乎所有高性能的军用和民用航空发动机中耐热度最高、应力负荷最大的零部件,都采用钽高温合金。最近开发的第三代含钽单晶合金的熔点得到了进一步提高,制造出的单晶涡轮叶片可以在更高温度下工作,且节省燃料,寿命更长。
  为了承受高温热循环的考验(1300℃/20min),航天器的零件表面必须实施保护涂层以提高其抗氧化能力。因此,研究经济可行和稳定可靠的高温保护涂层对于钽在航天工业中的高温应用意义重大。由于钽的熔点高,人们将其主要用作加热炉零件和喷气发动机零件,在航天和导弹技术中占有极其重要的地位。