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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
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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。
Ta
密度(g/cm3) 层裂强度(GPa) 16.6 3.7~4.4
Ta - 10W
16.87 3.5~4.7
Ta- 8W- 2Hf
16.7 3.1
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西北院研制的Ta-12W与Ta-10W性能比较
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Ta-Ti合金丝的再结晶动力学
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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
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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。
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不同温度和变形速率下钽的变形行为
西北工业大学 稀有金属材料 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。
1#试样不同 退火工艺的 显微组织
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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%Байду номын сангаас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
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2002年钽材的产品形成和相应市场份额
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
不同表面处理后钽钛合金丝拉伸 断口的宏观形貌
特征明显,能够发现边部裂纹源,断口宏观
形貌特征出现从韧性断裂向脆性断裂转变
趋势。
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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。
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SOM法，不同温度下电解3h 的Ta2O5片SEM 形貌 (a) 1473 K；(b) 1423 K ；(c) 1373 K
不同温度电解过程中 电流与时间曲线
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1423 K 的电解试样的背散射电子像(BEI)、能谱分析(EDX)和X 射线衍射谱(XRD)
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锻造钽的性能
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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
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西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
用于破甲弹药型罩钽板不同角度的力学性能
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。
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拉伸断口中心微观形貌
断口呈暗灰色,无金属光泽,断裂面与
拉伸方向垂直。酸洗和机械抛光(a、b)处
理后,试样缩颈现象明显,整个断口凹凸不 平,断口边缘有较大的拉边,宏观观察没有 发现明显的裂纹源,断口纤维区和裂纹扩
展区分布不明显；磷化和氧化(c、d)处理
后,断面由凹凸不平向平齐转变,缩颈现象 不明显,存在较大的剪切唇区域,裂纹扩展
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西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
Ta-Ti合金丝不同变形量(ε)下再结晶晶核形成的孕育时间(t)与退火温度(T)的关系
变形率越大，退火温度越高，再结晶晶核形成所需时间越短
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变形量55%Ta-Ti合金丝在不同温度 下的再结晶动力学曲线和47%， 55%，70%变形合金丝在相同温度 下的再结晶动力学曲线
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第3讲 钽铌及其合金
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钽的基本属性
“金属王国”中的后起之秀
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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
(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
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西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
铌粉产率(a) 与钽粉产率(b) 与温度和氢气比率关系 提高反应体系中氢气的比率或反应温度，能够提高铌或钽的产率, 却提高能耗
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CVD法还原NbCl5 (a)和 TaCl5 (b) 产物的XRD 图
相同变形量下，随着退火温 度的升高，再结晶形核孕育时间 缩短，完成再结晶所用时间减少； 同一温度下退火，随着变形量的 增大，再结晶孕育期缩短。再结 晶开始时的速度较小，随着再结 晶的进行而逐渐加快，再结晶体 积分数在20%～70%时，其速度最 大，然后又逐渐减慢，直至再结 晶结束。
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不同制备方式下钽的再结晶行为
真空电弧熔炼
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不同制备方式钽锭坯的杂质含量
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%
1000℃,真空退火60min
冷轧至3 mm厚板材
不同温度退火60 min
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西北工业大学 稀有金属材料 与加工课件
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。
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钽金属的应用
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;
1323 K 的电解试样的背散射电子像(BEI)、能谱分析(EDX)和X 射线衍射谱(XRD)
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CVD法制备钽粉
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CVD实验原理图 工艺原理：气相还原法制取超细微粉末是基于均相反应的原理, 以易蒸发 的卤化物(或其他化合物) 为原料, 在一定温度下用还原性气体(如氢气) 还 原卤化物蒸气来制取相应的超细微粉末。 工艺过程：用氩气做载流气来载带氯化物蒸气; 在反应区, 氢气和氯化物 气体充分混合并发生反应; 反应后生成的金属微粒在形核区结晶形核形成 固相后, 在收集区被过滤器阻挡下来并被收集。反应后的尾气经纯水吸收 装置吸收完其中的气体副产物HCl 后排入大气。