Ta-W-Legierungen: Eigenschaften und Herstellung

Beschreibung

Tantal-Wolfram-Legierungen werden seit langem in vielen Bereichen eingesetzt. Sie bieten Festigkeit, Stabilität und hohe Hitzebeständigkeit. Die Legierungen gibt es in verschiedenen Zusammensetzungen, wie z. B. TaW2.5 und TaW10, die jeweils ihre eigenen einzigartigen Eigenschaften haben.

Was sind Ta-W-Legierungen?

Tantal-Wolfram-Legierungen (Ta-W-Legierungen) sind metallische Spezialwerkstoffe, die hauptsächlich aus Tantal (Ta) und Wolfram (W) bestehen. Die am häufigsten verwendeten Sorten auf dem Markt sind Ta10W, das 10 % Wolfram enthält, und Ta2,5W, das 2,5 % Wolfram nach Gewicht enthält.

Ta-W-Legierungen werden wegen ihrer außergewöhnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften geschätzt:

• Hoher Schmelzpunkt: Mit einer Schmelztemperatur von etwa 3080 °C bleiben diese Legierungen auch bei extremer Hitze stabil.
• Ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit: Sie behalten ihre mechanische Integrität bei hohen Temperaturen und widerstehen Verformungen oder strukturellem Versagen.
• Gute Verschleißfestigkeit: In abrasiven oder reibenden Umgebungen weisen Ta-W-Legierungen eine lange Lebensdauer auf.
• Hervorragende Kriechfestigkeit: Sie behalten ihre Formstabilität auch bei anhaltender Hochtemperaturbelastung.
• Hervorragende Korrosionsbeständigkeit: Ta-W-Legierungen sind sehr beständig gegen eine Reihe von korrosiven Medien, einschließlich nassem Chlor, chloriertem Wasser, hypochloriger Säure und Salzsäure.

Trotz dieser Vorteile können Ta-W-Legierungen anfällig für Oxidation sein, wenn sie bei Temperaturen über 400 °C der Luft ausgesetzt werden. Um diese Einschränkung zu beheben, erforschen Forscher verschiedene Oberflächenbehandlungsmethoden, wie z. B. Verbundbeschichtungen, um sowohl die Oxidationsbeständigkeit als auch die Temperaturwechselbeständigkeit zu verbessern.

Insgesamt sind Ta-W-Legierungen wichtige Werkstoffe für anspruchsvolle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der chemischen Verarbeitung und anderen Hochleistungsbereichen, in denen eine Kombination aus Hitzebeständigkeit, mechanischer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit unerlässlich ist.

Eigenschaften von Tantal-Wolfram-Legierungen und Datenblätter

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

Herstellung von Tantal-Wolfram-Legierungen

Die Herstellung von Tantal-Wolfram-Legierungen (Ta-W) umfasst eine Reihe präziser metallurgischer Prozesse, die eine einheitliche Zusammensetzung, hohe Reinheit und hervorragende mechanische Eigenschaften gewährleisten sollen. Die typischen Herstellungsschritte umfassen:

1. Mischen des Pulvers

Ultrafeine Tantal- und Wolframpulver werden entsprechend der gewünschten Zusammensetzung abgewogen (z. B. 2,5 oder 10 Gew.-% Wolfram) und dann gründlich gemischt, um eine homogene Mischung zu erhalten. Die richtige Dispersion in diesem Stadium ist entscheidend für die endgültigen Eigenschaften der Legierung.

2. Verdichtung

Die gemischte Pulvermischung wird in Formen gefüllt und unter hohem Druck verdichtet, um Grünlinge (vorläufige Formteile) zu bilden. Dieser Schritt verleiht dem Material eine erste Form und mechanische Integrität für die weitere Verarbeitung.

3. Sintern

Die gepressten Presslinge werden in einem Hochtemperatur-Vakuumofen gesintert, um die Pulverpartikel metallurgisch zu verbinden. Bei diesem Prozess entsteht ein poröser vorlegierter Block, der als Sinterblock bezeichnet wird und als Ausgangsmaterial für das anschließende Schmelzen dient.

4. Schmelzen und Veredeln

Die gesinterten Knüppel werden mehreren Umschmelzzyklen in einem Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzofen (VAR) oder einem Elektronenstrahl-Schmelzofen (EBM) unterzogen. Diese hochreinen Schmelztechniken gewährleisten eine gleichmäßige Zusammensetzung und entfernen Verunreinigungen, so dass dichte, voll legierte Barren entstehen.

5. Verarbeitung nach dem Schmelzen

Die fertigen Blöcke werden durch Schmieden, Walzen und Glühen warmverarbeitet, um das Gefüge zu verfeinern und die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Durch diese Verfahren werden die Korngröße angepasst, die Duktilität verbessert und die gewünschten Endabmessungen und Oberflächengüten erzielt.

Vergleich von TaW2.5, TaW10, etc.

Verschiedene Zusammensetzungen von Tantal-Wolfram-Legierungen eignen sich für unterschiedliche Anwendungen. TaW2.5 enthält etwa 2,5 % Wolfram nach Gewicht, was zu einer Legierung führt, die leichter zu formen und zu verwenden ist, wenn eine etwas geringere Festigkeit akzeptabel ist. TaW10 hingegen enthält etwa 10 % Wolfram. Dies macht es stärker und hitzebeständiger. Bei der Auswahl einer Legierung achten die Ingenieure darauf, wie viel Wolfram für die jeweilige Aufgabe benötigt wird.

Die Unterschiede wirken sich auch auf das Verhalten bei Hitze aus. Höhere Wolframgehalte führen im Allgemeinen zu einer geringeren Wärmeausdehnung. Dies ist in Umgebungen mit plötzlichen Temperaturschwankungen wichtig. Auch die mechanische Festigkeit und die Dichte stehen in engem Zusammenhang mit dem Wolframgehalt. So kann TaW2.5 gut für Anwendungen geeignet sein, bei denen eine weichere Legierung benötigt wird. TaW10 wird gewählt, wenn maximale Leistung bei hohen Temperaturen und Belastungen erforderlich ist.

Schlussfolgerung

Tantal-Wolfram-Legierungen sind ein zuverlässiger Bestandteil der modernen Technik. Aufgrund ihrer bedeutenden thermischen Eigenschaften und ihrer Widerstandsfähigkeit gegen starke Beanspruchung sind sie in verschiedenen Bereichen von Nutzen.

Häufig gestellte Fragen

F: Warum sind Tantal-Wolfram-Legierungen für Hochtemperaturumgebungen geeignet?
F: Sie widerstehen hohen Temperaturen aufgrund ihres hohen Schmelzpunkts und ihrer geringen Wärmeausdehnung.

F: Wie wird die Legierungszusammensetzung für bestimmte Aufgaben ausgewählt?
F: Ingenieure verwenden Dichte, Festigkeit und thermische Eigenschaften, um die richtige Legierungssorte auszuwählen.

F: Können diese Legierungen in Vakuumumgebungen verwendet werden?
F: Ja, aufgrund ihrer Stabilität und Wärmebeständigkeit sind sie ideal für Vakuum und inerte Atmosphären.