钽铌及其合金PPT课件
钽铌材料及其性能
钽铌材料及其性能钽1.钽金属(tantalum)钽是稀有高熔点金属。
熔点2996℃，密度16.68g/cm3，晶格类型：体心立方。
导热系数（25℃）54W/M·K。
线膨胀系数（0~100℃）6.5×10-6。
钽主要用做制作钽电解电容器，钽合金如Ta—2.5W、Ta —10W、Ta—40Nb等，比任何别的材料更能经受高温和矿物酸的腐蚀，可作为飞机、导弹、火箭的耐热高强度材料以及控制、调节装置的零部件等。
钽在高温真空炉中，可作支撑附件、热屏蔽、加热器和散热片等。
钽制舟皿可用于真空蒸度装置，钽与人体组织还具有优良的生物相容性和稳定性，对人体组织不起反应，可作为接骨板螺丝、缝合针等外科手术材料。
2.钽的化合物(tantalum compound)2.1钽的氧化物(tantalum oxide)钽的氧化物最有应用价值的是Ta2O5。
Ta2O5为白色粉末，无味无臭，比重8.71g/cm3，熔点1870℃。
具有明显的酸性，不溶于水，也不溶于大多数的酸和碱，但在热的氢氟酸和过氧酸中能缓慢地溶解，与碱共熔时，生成钽酸盐。
Ta2O5具有α、β两种变体，其转变温度为1320℃，不同变体的氧化物，晶体结构不同，故其晶格常数，密度和其它性质都有明显的区别。
钽的其它低价氧化物，其性能不稳定。
钽的主要低价氧化物TaO2是一种褐色粉末，不溶于酸，在空气中加热时转变成Ta2O5，具有导电性。
2.2钽的卤化物(tantalum halide)TaCl5为黄色粉末，熔点220℃，沸点223℃－239℃，比重3.68g/cm3，易挥发，吸湿性强，非常容易水解析出白色的氢氧化物沉淀。
除高价的TaCl5外，钽的低价氯化物有TaCl4、TaCl3、TaCl2，均是易挥发物。
TaF5为白色结晶，熔点91.5℃，沸点229.2℃－233.3℃，比重4.74g/cm3，具有很强的吸湿性，在弱酸溶液中(当HF浓度低于7%)溶解而不水解。
钽铌及其合金基本介绍资料
工业生产钽粉的方法
传统：(1)氟钽酸钾钠热还原法；(2)氧化钽碳热还原法
缺点：生产成本高、周期长、效率低、能耗大、污染环境且难以连 续化生产，造成钽及钽合金的价格过高。
传统金属热还原法的FFC 剑桥工艺
缺点：以CaCl2 为熔盐电解质，CaCl2 吸水性强，需在300 ℃左右保 持干燥，实验麻烦；CaCl2 在高温下挥发严重，长时间电解，需持续 添加CaCl2 熔盐，工作效率低，使得整个熔盐体系始终处于不稳定的 动态过程；电解电压不能过高，通常为2.7~3.2 V，同时伴有副反应 发生，降低电流密度和电流效率；以石墨棒为阳极，容易烧损，产 生石墨微粒，可能导致阴阳极之间出现部分电子导电。
第3讲 钽铌及其合金
钽的基本属性
“金属王国”中的后起之秀 钽于1802 年由瑞典化学家爱开堡发现, 1903 年鲍尔登制得金属钽； 略带蓝色的浅灰色金属, 密度为16.50g.cm3, 硬度6~6.5，熔点 2996℃, 仅次于钨和铼居第三位。富有延展性,韧性比铜更好，冷加工 可拉成细丝和制成薄箔；膨胀系数很小, 每升高1℃, 只膨胀百万分之 六点六； 化学稳定性强, 常温下不和水及空气发生反应, 冷和热态下都有极强 的抗腐蚀性, 能抵抗除氢氟酸外的一切无机酸。将钽金属放入200℃的 硫酸中浸泡一年, 表层仅损伤0.006 毫米。实验证明: 常温下, 碱溶液、 氨、氯气、溴水、稀硫酸以及其他许多药剂对钽均不起作用； 钽在常温下能溶解氢, 开始生成固体溶液, 而后生成氢化物, 可作为 贮氢材料。
冷变形态
600℃×1h
冷变形态
600℃×1h
800℃×1h
900℃×1h
1000℃×1h
1100℃×1h
1＃再结晶温度：800～900℃
钽铌材料及其性能
钽铌材料及其性能钽1.钽金属(tantalum)钽是稀有高熔点金属。
熔点2996℃，密度16.68g/cm3，晶格类型：体心立方。
导热系数（25℃）54W/M・K。
线膨胀系数（0~100℃）6.5×10-6。
钽主要用做制作钽电解电容器，钽合金如Ta—2.5W、Ta —10W、Ta—40Nb等，比任何别的材料更能经受高温和矿物酸的腐蚀，可作为飞机、导弹、火箭的耐热高强度材料以及控制、调节装置的零部件等。
钽在高温真空炉中，可作支撑附件、热屏蔽、加热器和散热片等。
钽制舟皿可用于真空蒸度装置，钽与人体组织还具有优良的生物相容性和稳定性，对人体组织不起反应，可作为接骨板螺丝、缝合针等外科手术材料。
2.钽的化合物(tantalum compound)2.1钽的氧化物(tantalum oxide)钽的氧化物最有应用价值的是Ta2O5。
Ta2O5为白色粉末，无味无臭，比重8.71g/cm3，熔点1870℃。
具有明显的酸性，不溶于水，也不溶于大多数的酸和碱，但在热的氢氟酸和过氧酸中能缓慢地溶解，与碱共熔时，生成钽酸盐。
Ta2O5具有α、β两种变体，其转变温度为1320℃，不同变体的氧化物，晶体结构不同，故其晶格常数，密度和其它性质都有明显的区别。
钽的其它低价氧化物，其性能不稳定。
钽的主要低价氧化物TaO2是一种褐色粉末，不溶于酸，在空气中加热时转变成Ta2O5，具有导电性。
2.2钽的卤化物(tantalum halide)TaCl5为黄色粉末，熔点220℃，沸点223℃－239℃，比重3.68g/cm3，易挥发，吸湿性强，非常容易水解析出白色的氢氧化物沉淀。
除高价的TaCl5外，钽的低价氯化物有TaCl4、TaCl3、TaCl2，均是易挥发物。
TaF5为白色结晶，熔点91.5℃，沸点229.2℃－233.3℃，比重4.74g/cm3，具有很强的吸湿性，在弱酸溶液中(当HF浓度低于7%)溶解而不水解。
2.3钽的碳化物(tantalum carbide)钽的碳化物主要有Ta2C和TaC两种，而Ta2C又有α－Ta2C和β－Ta2C两种同素异构体。
钽铌冶炼与合金研究
探索钽铌合金在新能源、环保、生物医学等领域的新应用，推动其在高科技产业的发展。
钽铌冶炼与合金研究的未来发展方向
跨学科合作
加强与材料科学、物理研究的创新
发展。
智能化与自动化
运用先进的信息技术和智能制造技 术，实现钽铌冶炼与合金制备过程 的智能化和自动化，提高生产效率 和产品质量。
金。
粉末冶金法
将钽和铌的粉末混合，通过压 制和烧结制备成合金。
化学合成法
通过化学反应制备钽和铌的化 合物，再通过热分解制备成合 金。
其他方法
如电解法、溅射法等。
钽铌合金的应用领域
航空航天领域
由于钽铌合金具有高强度、低密度等 特点，被广泛应用于航空航天器的结 构件和发动机部件。
医疗领域
钽铌合金具有良好的生物相容性和耐 腐蚀性，可用于制造医疗器械，如针 头、植入物等。
分解
采用化学或物理方法，将矿石中的钽铌化合物分解为可溶性 的化合物。
富集
通过沉淀、结晶等方法，将钽铌元素进一步富集，提高其含 量。
钽铌的精炼与纯化
精炼
通过电解、化学还原等方法，将富集后的钽铌化合物转化为金属态。
纯化
采用蒸馏、区域熔炼等方法，去除金属中的杂质，获得高纯度的钽铌金属。
03
CATALOGUE
钽铌冶炼与合金 研究
汇报人：可编辑 2024-01-06
目 录
• 钽铌冶炼概述 • 钽铌的提取与精炼 • 钽铌合金的制备与性能 • 钽铌冶炼与合金研究的挑战与前景
01
CATALOGUE
钽铌冶炼概述
钽铌的性质与用途
钽铌的性质
钽铌属于难熔金属，具有高熔点 、低热膨胀系数、良好的导电导 热性、高硬度和耐磨性等特性。
钽铌及其合金基本介绍
(1) 增大再结晶退火前冷变形程度； 冷变形程度越大，这些强烈变曲的区域越多，再结晶晶核心 越多，细晶细化。 (2) 快速加热； 避免升温过程中产生回复，减少储能而使再结晶数目减少。 (3) 控制原始晶粒大小。
850 ℃, 20 min 850 ℃, 60 min
900 ℃, 10 min
950 ℃, 10 min
1#试样不同 退火工艺的 显微组织
2016/7/6
8
西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
1#深冲钽壳的宏观形貌
( a) 90%变形量后850 ℃, 60 min退火; ( b) 90%变形量后900 ℃, 10min 退火; ( c) 1 150 ℃退火60 min 钽片深冲制品表面质量差的主要原因是晶粒粗大
西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
第3讲 钽铌及其合金
2016/7/6
1
钽的基本属性
“金属王国”中的后起之秀
西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
钽于1802 年由瑞典化学家爱开堡发现, 1903 年鲍尔登制得金属钽；
略带蓝色的浅灰色金属, 密度为16.50g.cm3, 硬度6~6.5，熔点 2996℃, 仅次于钨和铼居第三位。富有延展性,韧性比铜更好，冷加工 可拉成细丝和制成薄箔；膨胀系数很小, 每升高1℃, 只膨胀百万分之 六点六； 化学稳定性强, 常温下不和水及空气发生反应, 冷和热态下都有极强 的抗腐蚀性, 能抵抗除氢氟酸外的一切无机酸。将钽金属放入200℃的
2016/7/6 10
锻造钽的性能
西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
初始挤压的钽(as-extruded) 与二次再锻压并经1523 K,2 h真空退火的钽 (forged+annealed)在296 K 温度和不同应变率下的真实应力应变曲线
钽、铌简介终稿
1.6吸、放氢性能
在较低的温度，Ta、Nb都能溶解大量的 氢，但低温下吸氢速度比较缓慢。当温 度达到500℃(Ta)和360℃(Nb)时，吸氢 的速度最大，这时，生成钽和铌的氢化 标准 物(TaH，NbH)。Ta、Nb锭吸氢后，性能 变脆，易于破碎。但是，当在600℃以上、 真空中加热氢化物中的氢可以全部脱出 并恢复金属原有的性质，工业上就是这 样从Ta、Nb条生产相应的粉体。
1.4铌/钽的主要物理、机械性质
致密金属钽、铌为钢灰色，粉末状态钽呈深灰 色，铌粉呈浅灰色，纯铌和纯钽具有良好的塑 性，可冷轧成厚度达0.01mm的薄片而无须中 间退火。 金属铌和钽的共同物理特征是具有高熔点 [ 2468 ℃(Ta) 、 2996℃ （ Nb ） ] 、 高 沸 点 [5458 ℃ （Ta）、4742 ℃ （Nb）]、低的蒸 气压以及比其它难熔金属(如钨和钼）为低的 电子速出功。同时，Nb和Ta的机械性能明显地 随其加工状态及间隙杂质含量而改变。
铌的应用
化工
铌及其与钽的合金可制成蒸馏管、活门、设备的挡板及生产盐酸、 硝酸、溴、过氧化氢等化工设备的其它部件。
宇航及 航空 核工业
Nb－1Zr、C—103铌合金已用于飞船上的姿态控制发动机；C—l03 合金还用于“大力神”导弹喷嘴的延伸段，这种合金的最大优点在 于高温下强度好且有优良的可塑性和焊接性。
飞行器，导弹，自动控制系统和电视机里获得广泛的应用
电子工业
石油及化学 工业部门 高温硬质合 金
。
钽的抗腐蚀性能优异，被广泛用来制造防腐蚀的化学反应器，罐， 塔，阀门等。
在高温真空炉中用钽做支撑附件，热屏蔽，加热器和散热，并可长期 使用。
Ta的应用
1.2铌的简介
一种金属元素。铌能吸收气体，用作除 气剂，也是一种良好的超导体。化学符 号Nb，原子序数41，原子量92.90638， 属周期系ⅤB族
铌、钽有关介绍
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟铌、钽有关介绍铌又名珂（Cb），铌是银白色，钽是深灰色的耐熔金属，铌、钽具有熔点高，（Nb2468℃，Ta2996℃）比重大Nb8.66Ta17.10，强度高，抗疲劳，抗变形，抗腐蚀，导热，超导，单极导电及吸收气体等优良特性。
广泛应用在电子、宇航、机械工业及原子反应堆中。
钽用于制作钽电容器：钽粉、钽丝是制作钽电容器的关键材料，钽电容器是最优秀的电容器。
铌亦可制作电容器。
钽用于制作耐高温钽制品：钽能耐高温，强度和刚度良好，是制作真空高温炉用发热部件、隔热部件和装料器皿的优质材料。
钽铌用于制作耐腐蚀钽铌制品：钽铌是优质耐酸碱和液态金属腐蚀的材料，在化学工业中可用于制作蒸煮器、加热器、冷却器、各种器皿器件等。
钽铌在航空航天工业中的应用：用于制作航空航天飞机、火箭、潜艇等的发动机部件，如燃烧室、燃烧导管、涡轮泵等。
钽用于制作穿甲弹的衬件：该项应用目前主要在美国，是导弹的一种，如TOW2B 导弹。
碳化钽作硬质合金的添加剂，添加TaC 可提高硬度、强度、熔点等性能。
NbC 亦可此用，性能次于TaC。
铌是钢铁的主要添加剂：添加铌的微合金钢，使钢材晶粒细化，可提高钢的强度和韧性，75%左右的铌应用于该领域。
铌用作超导材料：Nb-Ti 合金是当今应用最广、用量最大的超导材料。
氧化钽、氧化铌是制作钽铌人工晶体的原料：Ta2O5、Nb2O5 是制作LT、LN 等晶体的原料，LT、LN 是重要的压电、热电和非线性光学材料，在激光和微声表面波等技术领域中有重要用途。
铌在原子能工业中的应用：Nb 的中子俘获截面小，热导率和强度高，在原子能反应堆中用作核燃料包套材料、核燃料合金添加剂、热交换器结构材料。
钽的表面能形成致密稳定、介电强度高的无定形氧化膜，易于准确方便地控制电容器的阳极氧化工艺，同时钽粉烧结块可以在很小的体积内获得很大的表面积，因此钽电容器体积小、容。
钽铌材料及其性能
钽铌材料及其性能钽1.钽金属(tantalum)钽是稀有高熔点金属。
熔点2996℃，密度16.68g/cm3，晶格类型：体心立方。
导热系数（25℃）54W/M·K。
线膨胀系数（0~100℃）6.5×10-6。
钽主要用做制作钽电解电容器，钽合金如Ta—2.5W、Ta —10W、Ta—40Nb等，比任何别的材料更能经受高温和矿物酸的腐蚀，可作为飞机、导弹、火箭的耐热高强度材料以及控制、调节装置的零部件等。
钽在高温真空炉中，可作支撑附件、热屏蔽、加热器和散热片等。
钽制舟皿可用于真空蒸度装置，钽与人体组织还具有优良的生物相容性和稳定性，对人体组织不起反应，可作为接骨板螺丝、缝合针等外科手术材料。
2.钽的化合物(tantalum compound)2.1钽的氧化物(tantalum oxide)钽的氧化物最有应用价值的是Ta2O5。
Ta2O5为白色粉末，无味无臭，比重8.71g/cm3，熔点1870℃。
具有明显的酸性，不溶于水，也不溶于大多数的酸和碱，但在热的氢氟酸和过氧酸中能缓慢地溶解，与碱共熔时，生成钽酸盐。
Ta2O5具有α、β两种变体，其转变温度为1320℃，不同变体的氧化物，晶体结构不同，故其晶格常数，密度和其它性质都有明显的区别。
钽的其它低价氧化物，其性能不稳定。
钽的主要低价氧化物TaO2是一种褐色粉末，不溶于酸，在空气中加热时转变成Ta2O5，具有导电性。
2.2钽的卤化物(tantalum halide)TaCl5为黄色粉末，熔点220℃，沸点223℃－239℃，比重3.68g/cm3，易挥发，吸湿性强，非常容易水解析出白色的氢氧化物沉淀。
除高价的TaCl5外，钽的低价氯化物有TaCl4、TaCl3、TaCl2，均是易挥发物。
TaF5为白色结晶，熔点91.5℃，沸点229.2℃－233.3℃，比重4.74g/cm3，具有很强的吸湿性，在弱酸溶液中(当HF浓度低于7%)溶解而不水解。
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根据再结晶的基本规律，获得细晶细化的方法包括:
(1)增大再结晶退火前冷变形程度；
冷变形程度越大，这些强烈变曲的区域越多，再结晶晶
核心
越多，细晶细化。
(2) 快速加热；
避免升温过程中产生回复，减少储能而使再结晶数目减
少。
850 ℃, 20 min
850 ℃, 60 min
(3) 控制原始晶粒大小。
900 ℃, 10 min
9 2019/6/27
用于破甲弹药型罩钽板不同角度的力学性能
西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
在钽板的轧制过程中, 无论采取什么样的交叉换向轧制都 不可避免使板材内部产生很强的织构。这些织构的形成,使钽板 在不同方向上的强度和延伸率都产生很大的变化。在45°方向 上, 钽板的抗拉强度最弱而延伸率达到最大值。
10 2019/6/27
锻造钽的性能
西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
初始挤压的钽(as-extruded) 与二次再锻压并经1523 K,2 h真空退火 的钽(forged+annealed)在296 K 温度和不同应变率下的真实应力应变 曲线
钽在二次锻压后流动应力明显提高，提高约200MPa
西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
第3讲 钽铌及其合金
1 2019/6/27
钽的基本属性
西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
“金属王国”中的后起之秀 钽于1802 年由瑞典化学家爱开堡发现, 1903 年鲍尔登制得金属钽； 略带蓝色的浅灰色金属, 密度为16.50g.cm3, 硬度6~6.5，熔点 2996℃, 仅次于钨和铼居第三位。富有延展性,韧性比铜更好，冷加工 可拉成细丝和制成薄箔；膨胀系数很小, 每升高1℃, 只膨胀百万分之 六点六； 化学稳定性强, 常温下不和水及空气发生反应, 冷和热态下都有极 强的抗腐蚀性, 能抵抗除氢氟酸外的一切无机酸。将钽金属放入200℃ 的硫酸中浸泡一年, 表层仅损伤0.006 毫米。实验证明: 常温下, 碱 溶液、氨、氯气、溴水、稀硫酸以及其他许多药剂对钽均不起作用； 钽在常温下能溶解氢, 开始生成固体溶液, 而后生成氢化物, 可作 为贮氢材料。
4 2019/6/27
西北工业大学 稀有金属材料
不同温度和变形速率下钽的变形行为 与 加 工 课 件
常温、不同应变率下钽的σ-ε曲线 准静态加载下钽的σ-ε曲线 动态加载下钽的σ-ε曲线
钽的流动应力对应变率和温度的变化相当敏感:屈服应力和流动应力随应变率的增加 而增加,随温度的升高而减小,表现出显著的应变率强化与温度软化效应;常温下,应变 率由10-5 /s 增加到5100 /s 时,屈服强度由300 MPa 提高到约700 MPa ,提高了一倍 多;在应变率为10-4/s时,100℃的屈服应力比400℃的屈服应力也提高近一倍。增加应 变率或降低温度可以起到类似的作用, 钽的应变强化行为与温度和应变率无关。
950 ℃, 10 min
1#试样不同 退火工艺的 显微组织
8 2019/6/27
1#深冲钽壳的宏观形貌
西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
( a) 90%变形量后850 ℃, 60 min退火; ( b) 90%变形量后900 ℃, 10min 退火; ( c) 1 150 ℃退火60 min 钽片深冲制品表面质量差的主要原因是晶粒粗大
11 2019/6/27
西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
初始挤压的钽棒在不同取向的流动应力曲线 纯钽材在圆饼中心处呈现各向异性，且随远离圆饼中心而变弱
12 2019/6/27
西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
钽在不同应变 率和温度下的 流动应力
(1)钽金属的流动应力依赖应变率和温度；(2)当温度低于某个温度值时， 流动应力随温度降低而急剧增加，反映了塑性流动的热激活位错滑移机制； (3)在某个高温区域，流动应力对温度不敏感，且流动应力随温度增加而 出现峰值。随应变率增加，这个高温区域移向更高温度区，甚至消失，这 个现象被称为动态应变时效。
纯钽90%冷变形后经不同退火工艺后的硬度值
西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
冷变形态
600℃×1h
冷变形态
600℃×1h
800℃×1h
900℃×1h
1000℃×1h
1100℃×1h
1＃再结晶温度：800～900℃
2019/6/27
2＃再结晶温度：1000～1100℃7
西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
2 2019/6/27
钽金属的应用
西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
在制取无机酸的设备中, 钽可用来代替不锈钢, 寿命比不锈钢长十几倍; 在化工、电子、电气及原子能行业中, 可以取代由贵金属铂，大大降低成本； 作为炼制超强度钢、耐蚀钢和耐热合金钢的重要元素, 可作为火箭、宇宙飞 船、喷气飞机等空间技术所需的特殊材料； 钽和7.5%的钨制成的无磁性合金, 在红热条件下可保持弹性, 广泛用于电器 工业、电子管工业； 钽条还专用于整流器中； 用于制造外科刀具、人造纤维的拉线模等, 是铂的代用品； 碳化钽具有极强的硬度和极高的熔点, 在高温条件下与金刚石不相上下, 用 其做成的切刀, 可高速切削许多坚硬的合金; 用它制成的钻头, 可代替最坚硬 的合金或金刚石钻头； 生物相溶性好，用来修补、封闭人体破碎的头盖骨和四肢骨折的裂缝及缺损； 钽的细丝作为手术缝合线，可代替肌腱和神经纤维；钽板可作人造钽耳。
3 2019/6/27
2002年钽材的产品形成和相应市场份额
西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
电子工业用钽 60%~65%的钽用于钽电容器；微处理器和数字信号处 理器的连接材料
高温合金用钽 航空发动机叶片、密封件和喷嘴 武器系统用钽 破甲弹、爆炸成形弹药型罩 包覆材料用钽 高能加速器中钨固体靶的包覆材料
5 2019/6/27
不同制备方式下钽的再结晶行为
真空电弧熔炼
不同制备方式钽锭坯的杂质含量
西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
粉末冶金 电子束熔炼
室温锻造开坯15. 9 mm 厚 中间退火
冷变形90%
2019/6/27
1000℃,真空退火60min 不同温度退火60 min
冷轧至3 mm厚板材
6பைடு நூலகம்