1、前言

钽及钽合金具有高密度、高熔点、耐腐蚀、优异的高温强度、良好的加工性和可焊性及低的塑/脆转变温度等优良性能而广泛应用于电子、化工、武器等多种行业。其中，美国对钽和钽合金研究得较深入，特别是武器和核动力系统等用钽和钽合金，如Ta-W、Ta-V、Ta-Hf、Ta-W-Hf、Ta-W-Hf-Re等系列合金。近年来，钽及钽合金的研究步伐较20世纪60~70年代有所减慢，但仍主要集中在电子、化工、高温合金、武器系统等方面的新应用。旭隆金属结合钽合金在不同行业的应用需求，结合有关资料，将近几年来钽及钽合金的新发展和应用分享如下。

2、钽及钽合金的应用

2.1 电子工业用钽

钽大部分应用于电子工业。根据有关资料报道，全球有60~65%的钽用于电子工业，如钽粉烧结块用于制作各种液体和固体钽电容器的阳极，钽丝用作电容器的阳极引线，钽箔和钽板用于钽箔电容器、液体钽电容器及一些特殊类型的固体钽电容器。图1反映了近几年电容器级钽粉的需求量。尽管2002年上半年钽粉的需求量较2000年和2001年上半年有不同程度的降低，但2002年随着钽电容器需求量的增加而使钽粉需求量下降的状况得到扭转，钽粉需求量较-2001年下半年增长了25%。随着笔记本电脑、相机、电子控制仪、移动电话及汽车的安全气囊系统和控制系统中钽电容器用量的快速增加，钽在电容器中的应用量仍将增加。铌电容器的发展也很迅速，但由于铌电容器的极限工作温度较低（不超过105℃），漏电率为钽电容器的5~10倍，故目前铌电容器对钽电容器的用量还构不成威胁。

最近，铜替代铝成为大型/超大型集成电路的连接件材料，而铜和硅的相互扩散系数很大，这对电路是十分有害的。钽由于具有热稳定性，在铜和硅中的扩散系数很小，热导率大，粘接性好等优异性能而 成为最佳的扩散隔层材料。这可能为钽开发了一个较大的应用领域。目前芬兰赫尔辛基理工大学的Tomi Laurila博士等详细研究了Ta、TaC、Ta2N 扩散隔层在铜和硅中的稳定性及氧元素对Cu/Ta/Si反应的影响。结果表明，一定厚度的Ta、TaC、Ta2N薄膜等均能成为铜和硅之间稳定的扩散隔层。

2.2 高温合金用钽

钽在高温合金中的应用也日渐增加。目前国外性能较好的航空发动机叶片大部分由Ni基单晶超合金制成，且合金中钽成分的比例越来越大。同时在美国Oak Ridge国家实验室和田纳西州大学正在研究一系列地面基和航空发动机用高温抗氧化Cr-Cr2Ta 合金。采用定向凝固技术可以制得均匀层状Cr2Ta Laves 相的Cr-Cr2Ta 自生复合材料。在这类合金中，铬基固溶体呈现出良好的塑性和高温抗氧化性，而Cr2Ta Laves 相则弥散于铬基固溶体中改善合金体系的高温强度和室温断裂韧性，如图2所示。这是由于层状结构使裂纹难以扩展，进而使其偏折、分叉并产生剪切筋，从而提高了材料的室温断裂韧性。这类合金的研究成功将提高燃气涡轮机的热效率，并将广泛应用于叶片、密封件和喷嘴。此外，还可用于燃气清洁系统部件（如热气过滤器）、油/气井的钻头等。

2.3 武器系统用钽

钽和钽合金由于具有高密度、高动态延伸率及纵火等优良特性已成功应用于爆炸成形弹和破甲弹的药型罩。但由于熔炼/塑性加工制作的钽药型罩成本太高，目前美国主要采用P/M法研制钽药型罩，以降低成本并取得了显著成效。

美国陆军装备研发工程中心采用H.C.Starck公司的高纯钽粉研制的钽药型罩晶粒细小，显微组织均匀性好，有一定的织构，这样就大大提高了射流的稳定性，进而改善了射流的侵彻性能。在未来10年内，美国对钽药型罩材料的研究将主要集中在：一方面改进加工技术，如电子束沉积、电铸技术，并结合先进的电子背散射衍射分析技术，改善药型罩材料的组织；另一方面尽量降低成本，以实现钽药 型罩材料的大规模实用。

此外，美国还研究了炮管溅射沉积钽的技术，准备用镀钽身管替代目前大口径火炮的镀铬身管（120mm坦克炮管和150mm曲射榴弹火炮管）。因为火炮管内表面接近2000℃的高温大大降低了炮管镀    铬层的寿命，而采用镀钽身管，其寿命将提高8倍以上。美国太平洋西北实验室（PNNL）和陆军贝内特实验室（Benet Lab）的研究工作尤为出色。研究表明：圆筒试样基体温度为200~300℃，使用氪和氙作为溅射气体，有助于在4340钢圆筒基体内壁上形成致密的α相钽涂层；用氪和氙气作溅射气体具有较高的溅射效率和较快的沉积速度，部分补偿了在炮膛内制造厚钽涂层所需的较高费用；使用氪作溅射气体时，4340钢圆筒基体的温度超过200℃，才能产生具有100%体心立方晶格α相的钽涂层。而使用最普通的氩气作为溅射气体，在200℃基体温度下，则产生了含β和α相的钽涂层，这对涂层的致密性是很不利的。今后将继续研究使用普通氩气作为溅射气体时产生具有;100%体心立方晶格α相的钽涂层的工艺技术。

目前在美国Los Aiamos国家实验室主要应用(Ta-Ti 合金制作核原料Pu的熔炼坩埚和搅拌器。合金中通过加入钽，以降低密度和提高合金的抗氧化性能。为此，他们分别研究了(Ta-20%、40%、60%Ti 合金（均为质量分数，下同），并进行了抗氧化性和抗腐蚀性的测试，如图3。结果表明，Ta-20%Ti 合金拥有最优的抗腐蚀性和良好的抗氧化性。但该项工作的主要难点在于如何制作大尺寸的铸锭。

美国Texas州大学还将Ta-Ti 合金用做生物植入材料，以替代目前的Ti-6Al-4V，因为临床研究分析表明钛和Ti-6Al-4V中的钛离子对身体有害。研究结果表明，时效Ta-Ti 合金样品的耐腐蚀性更高，Ta-50%Ti 合金的强度及硬度也比Ti-6Al-4V 提高了58%。

2.5 包覆材料用钽

钽由于耐腐蚀、中子产出率高、与钨的冶金相容性好而用作高能加速器中钨固体靶的包覆材料。这样就可解决钨靶在质子辐照的热水环境中易腐蚀的难题，从而延长了具有高中子产出率的钨靶的寿命。

目前，日本高能加速器研究所和Tohoku大学正联合研制W-Ta复合板，以替代钽靶，即在烧结/ 热轧钨板上通过真空电子束焊接包覆0.6mm厚的钽层，并采用合适的热等静压工艺形成一定厚度的W-Ta扩散层。结果表明W-Ta复合靶的中子产出率比纯钽靶高出20%以上。

3、结语

钽和钽合金优异的综合性能使其广泛应用于电子、化工、武器等行业。随着钽电容器的迅速发展，其对钽的需求仍将大幅增加。集成电路中铜替代铝成为连接件材料，这也可能为钽开发一个较大的应 用领域。高温合金的快速发展加速钽在高温材料的发展和应用。钽和钽合金优异的动态性能加速了其在武器系统的发展和应用。此外，钽和钽合金在其他领域也得到了较快的发展，如Ta-Ti合金在医学 上的应用，钽作钨靶的包覆材料等。

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