钽在军工与航天中的应用

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。

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。

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。

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。

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。