Приложения на тантала във военното и въздухоплавателното пространство
& nbsp; & nbsp; Много ключови компоненти в космическата и военната промишленост работят при високи температурни условия и са обект на взаимодействие на термични, механични и химически процеси, което води до сериозно аблация и износване. Ето защо материалите с добра устойчивост на износване и аблация при високи температури са спешна нужда в най-съвременните индустриални области.
Проблеми с износването във военната и космическата промишленост
Опасности, причинени от аблативно износване
& nbsp; & nbsp; Износването и аблацията са явления на материално увреждане на повърхността, причинени от взаимодействието на термодинамиката, механиката и химията. Те са основните форми на повреда на материала при екстремни високи температурни условия. Триенето и износването при високи температури са по-тежки и механизмът е по-сложен. При условия на износване и изгаряне на повърхността на детайла ще продължат да се наблюдават загуба на материал, промени в химичния състав на повърхността, образуване на слой, засегнат от топлината и повърхностно напукване. Местните повреди на повърхността в крайна сметка ще доведат до повреда на целия детайл, което ще доведе до огромна загуба на ресурси и икономически загуби. Дори представлява заплаха за сигурността. Типичен сценарий, при който това се случва е в цевта на пистолета. Ако възникне повреда на детайла върху оръжейното оборудване, ударът може да бъде огромен.
Разтвор
& nbsp; & nbsp; Настоящото решение на проблемите с устойчивостта на износване и устойчивостта на аблация е основно да се подготвят защитни покрития, а хромовото покритие понастоящем е единствената технология за покритие, която може да се използва в голям мащаб у дома и в чужбина. Въпреки това, при някои екстремни условия на работа температурата на повърхността на детайла е толкова висока колкото 2200-3500 градуса по Целзий, от които около една пета от топлината се абсорбира от материала на детайла, а времето за действие на топлината е 10 микросекунди. Топлината на повърхността на детайла няма време да бъде прехвърлена навън и има голям температурен градиент. Полученото термично напрежение ще доведе до падане на хромното покритие.
& nbsp; & nbsp; В допълнение, високата температура също засилва химичното взаимодействие между реактивния газ и метала върху повърхността на детайла, причинявайки образуването на метални оксиди с ниска точка на топене, което допълнително насърчава топенето на локалните зони върху повърхността на детайла. Разтопената зона постепенно ще бъде отлепена от газова ерозия и механично износване. Това аблационно износване е много пъти по-бързо от нормалното износване. В същото време хромът също има висока твърдост, висока крехкост и ниска якост на срязване и опън. Ето защо е трудно хромните покрития да отговарят на съществуващите изисквания за износване и аблация и е спешно да се разработят покрития с по-висока производителност.
Изисквания за нови покрития
& nbsp; & nbsp; За нови високоефективни покрития трябва да бъдат изпълнени следните изисквания: висока точка на топене; добра якост при висока температура; устойчиви на изгаряне на реактивни газове; термомеханични свойства, съответстващи на тези на стоманата; добро свързване със субстрата; и определена дебелина за защита Механичната якост на детайла се намалява поради термични ефекти.
Материал за решаване на проблема с аблативното износване - тантал
Танталът (Та), метален елемент, има тяло-центрирана кубична фаза като своя доминираща структура. Температурата на топене е около 2996°С, след въглерода, европия, рения и осмий. Еластичният модул на тантала е подобен на този на стоманата и има добра проводимост и лесна пластичност. В допълнение, танталът има ниска метална мобилност и изключително висока устойчивост на корозия. Не може да се корозира от различни силни киселини при стайна температура (с изключение на флуорид и димяща сярна киселина). В същото време танталът също има добра биосъвместимост и добра устойчивост на износване. Понастоящем танталовият метал се използва в много области като медицината, космическата, военната промишленост и т.н., особено в космическата и военната област.
Добрите механични свойства на тантала при висока температура отговарят на изискванията за условията на износване и аблация. Разумното развитие и използване на танталовите покрития могат да подобрят живота на детайлите при условия на износване и изгаряне, да спестят ресурси и в същото време да получат добри икономически ползи и гаранции за безопасност. Лий и др. подготвиха танталово покритие и изследваха аблативната устойчивост на износване на танталово покритие и хромно покритие. В резултат на това скоростта на износване на хромовото покритие се увеличава значително след 1200 цикъла експерименти, докато покритието с тантал остава стабилно.
Примери за приложение на тантал
Вътрешен покрив на корпуса на оръдието
& nbsp; & nbsp; Когато барутът експлодира, той произвежда опашки пламък с температура 2500-3500К и налягане 300-800Мпа. Опашният пламък съдържа корозивни компоненти като H2S, CO, O2, H2, H2O, N2 и остатъчни частици барут. Следователно артилерийският цев ще претърпи физическите и химичните ефекти на барутния газ с високо температура и високо налягане, когато снарядът бъде изстрелян (термичният ефект на високотемпературния газ, ерозията на високоскоростния въздушен поток, корозията на вътрешния отвор от остатъци от барутен газ и износването на вътрешната стена от високоскоростни движещи се снаряди). При това работно състояние вътрешният отвор на артилерийския цев ще претърпи тежка аблационна ерозия и износване, което води до промени в геометрията и размера на вътрешния отвор, което пряко засяга точността на стрелбата на артилерията и живота на цевта.
Танталът (Та) има добри физически и химични свойства: той е огнеупорен метал с висока точка на топене (точка на топене 2996 ° С), ниска топлопроводимост (57и ° С) и добра устойчивост на химическа корозия (може да устои на киселина, корозия от сол и органични химикали), отлична аблационна устойчивост и добра пластичност и здравина (структура Та). Следователно покритията от танталова или танталова сплав се считат за идеална система за покритие за заместване на галванизираните покрития за аблационна устойчивост и устойчивост на ерозия. Ако слоят Ta трябва да се нанася върху артилерийския цев и има за цел дългосрочна защита срещу аблация на пожарни газове, разпръснатият слой Ta трябва да се състои главно от α-Ta с дебелина най-малко 75 μm и достатъчна дебелина във всички посоки между покритието и субстрата. Свързваща сила, за да издържи на термичен удар и високо срязване на напрежение по време на стрелба с артилерия.
Лий и др. използват експериментална система за разпръскване с триод, за да депозират слой Та с дебелина 50 ~ 125μm в стоманена обвивка с вътрешен диаметър 20 мм. След 1500 теста с жива цел слоят Та е завършен и има добър защитен ефект върху субстрата. В същото време Lee et al. използват разтопена сол 800°C, за да приготвят α-Ta слой в стоманена обвивка с пушка. След 5034 тестове с жива цел покритието все още е плътно и плътно залепено с матрицата.
С развитието на бронирани материали съвременните противобронирани бойни глави имат все по-високи изисквания за експлозивно образувани материали за покриване на боеприпаси. Образуването на по-дълга и стабилна струя от покритието на лекарството изисква материалът на покритието на лекарството да има висока плътност, висока скорост на звука, добра топлопроводимост, високо динамично удължаване на фрактурата и други свойства. В допълнение, материалът за покритие на лекарството също е необходим да има фини зърна, ниска температура на рекрилизация, определена текстура и друга микроструктурна морфология.
Танталът, обеден уран и др. имат отлични всеобхватни свойства като висока плътност, високо динамично удължаване и палеж. По-специално танталът има висока плътност (16.6г / см3) и добри динамични характеристики. Това е материал, използван главно за експлозивно образувани боеприпаси в чуждестранни изследвания. Като експлозивно формиран материал за покриване на боеприпаси, Та се използва широко в американски произведени ракети и други. Балистичните експерименти показват, че проникването му е с 30% до 35% по-високо от това на Ку и може да достигне 150 мм.
Тантал в космически апарати
Танталът е ключова добавка в високотемпературните сплави, особено високотемпературните сплави на основата на никел. Танталът се добавя към различни сплави, като никелови, кобалтови и железни сплави, за да се произвеждат високоефективни сплави като суперсплави, устойчиви на корозия сплави и устойчиви на износване сплави. Танталова високотемпературна сплав може да работи под 800 ~ 1000 ℃. Добавянето на тантал играе главно роля за укрепване на твърдия разтвор и подобрява крайната якост на сплавта, особено устойчивост на пълзене при висока температура, устойчивост на окисляване и устойчивост на корозия. Отличната якост при висока температура, добрата устойчивост на окисляване и устойчивост на гореща корозия, добрата производителност на умора и якост на счупване на суперсплавите го правят ключов материал за високотемпературни компоненти като турбинни лопатки на аерогенератори, водещи перки и турбинни дискове.
Понастоящем почти всички високоефективни военни и граждански авиационни двигатели в чужбина използват танталови високотемпературни сплави като компоненти с най-висока топлоустойчивост и най-голямо натоварване на напрежение. Точката на топене на наскоро разработената еднокристална сплав съдържаща тантал от трето поколение е допълнително подобрена, което позволява на еднокристалните турбинни лопатки да работят при по-високи температури, да пестят гориво и да имат по-дълъг живот.
& nbsp; & nbsp; За да издържи на изпитването на високотемпературно термично циклиране (1300 ° С / 20 мин), повърхността на частите на космическия апарат трябва да бъде покрита със защитно покритие, за да се подобри устойчивостта на окисляване. Ето защо изследването на икономически осъществими, стабилни и надеждни високотемпературни защитни покрития е от голямо значение за високотемпературното приложение на тантал в космическата промишленост. Поради високата си точка на топене танталът се използва главно като части за отоплителна пещ и части за реактивни двигатели и играе изключително важна роля в космическата и ракетната технология.
