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钽合金在空间核应用中的潜力
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一、介绍 钽作为一种耐火金属，具备高强度特性，其熔点高达 2996°C。在室温环境下，钽的密度为 16.65 g/cc，晶体结构为体中心立方，且展现出高韧性。不过，当温度超过 500°C 时，钽会发生氧化反应，因此在对其进行热加工或焊接操作时，必须采用真空环境或惰性气体进行保护。 钽合金的研究核心目标是开发出兼具耐高温与抗氧化性能的合金材料。Ta-10W 合金中含有 10% 的钨元素，该成分的加入有助于提升合金的高温性能，但该合金的抗氧化能力存在不足，无法抵御液态碱金属的腐蚀。这一缺陷推动了相关研究的进一步开展，研究方向包括在钽合金中添加少量能够稳定形成氧化物的元素（如锆或铪），由此研发出了如 Ta-8% W-2% Hf（即 T-111）和 Ta-10% W-2.5% Hf-0.01% C（即 T-222）等合金。 T-111 合金凭借其与液态碱金属的良好兼容性，以及在强度、可制造性和可焊性方面的出色组合，被 NASA Lewis 选定为空间核电系统设计的参考材料。与此同时，ASTAR-811C 合金（成分组成为 Ta-8% W-1% Re-0.7% Hf-0.025% C）也得以开发，该合金通过固溶强化和分散相强化两种机制，有效提升了自身的强度与抗蠕变性能，在高温应用场景中展现出巨大潜力。 二、拉伸性能 （一）未辐照拉伸性能 在深入探究钽及其合金的拉伸性能过程中，热机械加工历史对性能的影响至关重要。鉴于耐火金属在空间核能领域主要应用于高温环境，因此在研究中需重点采用完全再结晶材料的性能数据，而非依赖冷加工硬化后的材料数据。 钽合金表现出显著的强化效果，尤其在 1300°C 温度下，其强度可达纯钽的 7 至 10 倍。在测试温度范围内，T-222 合金的性能表现最为优异，其他合金的强度排序会随温度变化而有所不同。再结晶钽合金的屈服强度通常远低于其极限拉伸强度，这一特性表明该类合金具备良好的韧性和工作硬化能力。 关于伸长率，目前存在多种数据来源，但均匀伸长率方面的数据较为匮乏。研究发现，总伸长率会随温度升高而呈现上升趋势，在室温条件下，总伸长率为适中值（<20%），当温度升高至 2000°C 时，总伸长率可达到约 40%。 钽合金的弹性常数已被测定，测定温度范围最高可达 2000°C。通常情况下，这些弹性常数会随温度变化而产生较大波动。值得注意的是，钽合金的弹性模量与纯钽的弹性模量处于相当水平。 （二）辐照拉伸性能 Zinkle 和 Wiffen 指出，当前关于辐照后钽及钽合金力学性能的研究数据相对有限。纯钽在 70°C 至 400°C 温度范围内经过辐照处理后，其室温强度会有所增加，均匀伸长率则降至 0.1-0.2%，而总延伸率仍能维持在 8-10% 的水平。即便在 640°C 下进行辐照，纯钽也会呈现出类似的强化效果，不过其延伸率会略有提高。 中子辐照对 Ta、Ta-10W 和 T-111 三种材料的影响研究显示，在 800°C 温度下辐照的 Ta-10W 合金会出现适度硬化现象，而在 350°C 温度下辐照则会导致该合金发生严重脆化（此处未涉及屈服强度与极限拉伸强度的对比数据）。当中子辐照温度低于 650°C 时，T-111 合金的屈服强度和极限抗拉强度会显著增加，但其均匀伸长率通常会降至 < 2%。目前，尚未有研究涉及 T-111 合金在 650°C 以上温度下的辐照特性。对 ASTAR-811C 合金辐照特性的研究表明，其均匀伸长率略高于 T-111 和 Ta-10W 合金，但仍仅约为 1%。 总体而言，在温度低于 700°C 的条件下，中子辐照会使钽合金的屈服强度和抗拉强度得到增强，但同时也会导致其伸长率降低，并增加脆性。未来还需开展更多研究，以评估钽合金在高温环境下的性能，以及辐照对其韧性 - 脆性转变温度的影响。 三、蠕变性 目前，针对钽合金的蠕变和应力断裂行为已开展了广泛研究，其中重点集中在超高真空条件下对 Ta-10W、T-111、T-222 和 ASTAR-811C 这几种合金的测试。早期的研究数据由于受到环境污染的影响，存在一定局限性，并且实验室的压力条件会对钽合金的蠕变应变产生显著影响。科研界普遍认为，进行钽合金蠕变测试时，环境压力需低于 10⁻⁸托尔。 研究结果显示，钽合金的蠕变强度高于纯钽，通过适当的热处理工艺，还可进一步增强钽合金的强度。另有研究探讨了显微结构和沉淀物对钽合金蠕变性能的影响。对 T-111 和 ASTAR-811C 合金进行的长期蠕变测试表明，ASTAR-811C 合金的蠕变性能更为优越，同时热机械处理工艺对该合金的性能具有显著影响。 与其他耐火合金相比，T-111 和 ASTAR-811C 这两种钽合金展现出更出色的蠕变强度。特别是 ASTAR-811C 合金，在 1200°C 温度下产生 1% 应变所需的应力高达 80 MPa。然而，处理参数（如退火温度）会对 ASTAR-811C 合金的蠕变寿命产生显著影响，这种影响主要是由材料内部结构的变化所导致。 四、老化和氢脆 相关研究揭示，T-111 钽合金在约 1040°C 这一极窄的温度范围内，经过 1000 小时的老化处理后，会发生显著的脆化现象。在实验过程中，研究人员将该合金分别置于锂环境和真空环境中，在 925°C、1040°C 和 1150°C 三种温度下进行老化处理，并通过 - 196°C 的弯曲延性测试来评估合金的性能变化。结果显示，在 1040°C 温度下老化的 T-111 合金管样，脆化现象十分明显，而在其他温度下老化的管样则未出现这一情况。 预处理退火温度对 T-111 合金的性能也存在影响：经过 1650°C 或 1815°C 退火处理后的合金管，在室温下仍能保持良好的延展性；而经过 1982°C 退火处理后再进行老化的合金管样，在 25°C 时则呈现出脆性。此外，在 980°C 至 1150°C 温度范围内经过 10000 小时老化处理的 T-111 合金焊接板样品，在室温环境下同样表现出脆性。尽管 T-111 合金存在上述脆化现象，但在真空和锂环境中老化后，其拉伸性能并未发生较大变化。 在同一研究中，ASTAR-811C 合金未出现因老化而导致的脆化现象。不过，当该合金中引入氢元素后，会表现出氢脆化特性，且氢脆化的程度会受到老化环境的影响。掺杂氢的锂处理 ASTAR-811C 样品在室温下会发生断裂，而在真空中老化的样品则能够承受 180° 弯曲，仅在表面出现裂纹。造成这种差异的原因可能与在锂暴露过程中氧含量的减少有关。当 ASTAR-811C 合金暴露于氢气环境后，纯度更高的锂老化样品会吸收更多的氢，进而导致显著的氢脆化现象。此外，锂处理样品的清洗过程也可能对氢的吸收产生影响。该研究表明，高温合金在热老化和氢脆化方面的特性仍需进一步深入研究。 五、环境因素 在高温环境下，钽会吸收氧、氮、氢、碳等元素，这一过程会使钽的强度得到增强，但同时也会导致其延展性丧失。在空间核电系统的冷却剂中，钽合金的耐腐蚀性主要取决于氧等杂质的含量。锂对氧具有很强的亲和力，会迅速侵蚀含有氧的钽合金。在钠和钾冷却系统中，氧的浓度以及合金中的杂质含量都至关重要，这些因素可能会导致形成可溶化合物，或者这些杂质可通过机械方式被移除。 相关研究数据表明，钽合金在 5000 小时的时间内，能够抵抗高达 1370°C 温度下锂的腐蚀。在 1200°C 温度下，与锂接触 1000 小时，并不会对 T-111 合金的应力破裂特性产生影响。对比试验结果显示，在持久强度方面，钽合金优于其他类型的耐火合金。当使用氦等非液态金属作为冷却剂时，钽合金可能会面临由氧化和传质作用引发的腐蚀问题。 钽合金的腐蚀程度受到多种因素的影响，包括材料的面积 / 体积比、杂质的溶解度、温度以及化学活性梯度等。因此，针对特定的材料组合，需要单独开展分析研究，以全面了解其腐蚀特性。 六、结论 多年来，为提升钽合金的高温强度和在碱性金属中的相容性，科研人员在含氧环境下研发出了多种钽合金，其中包括 Ta-10W、T-111、T-222 和 ASTAR-811C 等。这些钽合金在拉伸性能、耐蠕变性、耐腐蚀性以及可制造性等方面均表现出优异的特性，在空间核系统应用领域具有极大的潜力。 |
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