Reines Tantal oder Tantal-Wolfram-Legierung

Was ist hochreines Tantal?

Hochreines Tantal ist ein Ta-Metall mit einem normalen Reinheitsgrad von 99,9 % oder 3N und für kritische Anwendungen sogar bis zu 99,99 % oder mehr (4N). Auf dieser Stufe der Verfeinerung weist Tantal eine Kombination von Eigenschaften auf, die kaum ein anderes Metall bieten kann. Es ist chemisch inert, weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf und ist zudem biokompatibel; es kann bei sehr hohen Temperaturen arbeiten, ohne mit seiner Umgebung zu reagieren.

Eine der charakteristischsten Eigenschaften von hochreinem Tantal ist seine Beständigkeit gegen chemische Angriffe. Wenn es Luft oder Feuchtigkeit ausgesetzt wird, bildet sich auf Tantal eine dünne, dichte Oxidschicht, die als natürliche Barriere dient. Diese Passivschicht ist äußerst stabil und ermöglicht es Tantal, aggressiven Säuren wie Salzsäure, Salpetersäure und sogar Königswasser unter vielen Bedingungen zu widerstehen. Hochreines Tantal wird daher in chemischen Verarbeitungsanlagen, Wärmetauschern und Reaktionsgefäßen in Mengen eingesetzt, bei denen eine Verunreinigung oder Korrosion nicht akzeptiert werden kann.

Mechanisch gesehen ist hochreines Tantal vergleichsweise weich und besonders dehnbar. Es kann zu dünnen Blechen gewalzt, zu feinen Drähten gezogen oder in komplexe Formen gebracht werden, ohne dass Risse entstehen. Die hervorragende Formbarkeit ist einer der Gründe, warum Tantal in medizinischen Implantaten und Werkzeugen für die Halbleiterherstellung bevorzugt wird, wo eine präzise Formgebung erforderlich ist; seine Duktilität vereinfacht außerdem das Schweißen und die Herstellung im Vergleich zu den meisten hochschmelzenden Metallen erheblich.

Hochreines Tantal hat eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit bei hohen Temperaturen mit einem Schmelzpunkt von über 3000 °C. Während es jedoch auch bei großer Hitze stabil bleibt, nimmt seine mechanische Festigkeit mit steigender Temperatur und Belastung ab. Reines Tantal kann unter langfristigen thermischen Belastungen kriechen, d. h. es kann sich mit der Zeit langsam verformen. Diese Einschränkung ist für Anwendungen relevant, die anhaltende mechanische Belastungen bei hohen Temperaturen erfordern.

Mit anderen Worten: Hochreines Tantal ist ein Material der Wahl, wenn Korrosionsbeständigkeit, Sauberkeit und Biokompatibilität wichtiger sind als übermäßige mechanische Festigkeit.

Was ist mit Tantal-Wolfram-Legierungen?

Die Tantal-Wolfram-Legierung wurde entwickelt, um die großen mechanischen Mängel von reinem Tantal zu überwinden und gleichzeitig die Vorteile des Werkstoffs zu erhalten. Die Zugabe von Wolfram, in der Regel in einer Größenordnung von 2,5 bis 10 Gewichtsprozent, führt zu einer drastisch höheren Festigkeit, einer verbesserten thermischen Stabilität und einer wesentlich besseren Beständigkeit gegen Kriechen bei erhöhten Temperaturen.

Wolfram ist eines der dichtesten und hochschmelzenden Metalle, die es gibt. In Verbindung mit Tantal lösen sich Wolframatome in das Tantalgitter ein und behindern die Bewegung von Versetzungen innerhalb der Metallstruktur. Dieser Verstärkungseffekt aus dem Mischkristall erhöht die Streckgrenze und die Zugfestigkeit bei höheren Temperaturen, bei denen reines Tantal erweichen würde.

Einer der größten Vorteile von Tantal-Wolfram-Legierungen gegenüber unlegiertem Tantal ist ihre Kriechfestigkeit. In Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt, in Vakuumöfen und in Nuklearsystemen sind die Werkstoffe über sehr lange Zeiträume hinweg einer konstanten Belastung bei hohen Temperaturen ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen widerstehen Tantal-Wolfram-Legierungen Verformungen und behalten ihre mechanischen Eigenschaften viel besser bei als unlegiertes Tantal. Auch die Rekristallisationstemperatur ist höher, was bedeutet, dass die Legierung ihr Gefüge und ihre Festigkeit auch nach längerer thermischer Belastung beibehält.

Wichtig ist, dass der Zusatz von Wolfram die Korrosionsbeständigkeit von Tantal nicht wesentlich beeinträchtigt. Tantal-Wolfram-Legierungen sind in vielen Säuren und aggressiven chemischen Umgebungen nach wie vor sehr widerstandsfähig und finden daher auch unter den härtesten chemischen und thermischen Bedingungen Anwendung.

Der Kompromiss liegt in der Verarbeitbarkeit. Im Vergleich zu hochreinem Tantal sind die Tantal-Wolfram-Legierungen härter und weniger dehnbar. Für die Umformung, Bearbeitung und das Schweißen sind kontrolliertere Bedingungen, höhere Kräfte und ein größeres Fachwissen erforderlich. Aus diesem Grund können die Herstellungskosten höher sein, insbesondere bei komplexen Geometrien. Wo jedoch die mechanische Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen entscheidend ist, sind solche Herausforderungen oft akzeptabel und werden erwartet.

In der Praxis werden Tantal-Wolfram-Legierungen für strukturelle/tragende Anwendungen bevorzugt, und reines Tantal wird für korrosionsgefährdete Umgebungen bevorzugt.

Tabelle mit Vergleichsdaten

Weitere Informationen finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Abschließende Betrachtung

Bei der Wahl zwischen hochreinem Tantal und Tantal-Wolfram-Legierungen geht es nicht darum, welches Material "besser" ist, sondern vielmehr darum, welches Material in einer bestimmten Umgebung besser geeignet ist. Hochreines Tantal eignet sich am besten für chemisch aggressive, kontaminationsanfällige und fertigungsintensive Anwendungen. Tantal-Wolfram-Legierungen sind auf Festigkeit, Stabilität und langfristige Leistung unter hohen Temperaturen und/oder mechanischer Belastung ausgelegt.