Танталовые сплавы
На основе традиционных материалов прочность тантала и танталовых сплавов дополнительно повышается за счет изменения структуры упрочняющей фазы в микроструктуре материала, что полностью раскрывает его потенциал. В отличие от традиционных методов упрочнения, включающих отдельные твердые фазы (осажденные или диспергированные вторые фазы, частицы, волокна и т. д.), упрочняющая фаза является изотропной и пространственно непрерывной. Она также отличается от упрочнения ультрамелкозернистыми материалами тем, что не основана на увеличении числа границ зерен, а на повышении прочности границ зерен. Это повышение прочности границ зерен основано на упрочняющем эффекте межзеренного кислорода, растворенного в тантале или образующих соединениях, что увеличивает прочность. Благодаря предварительной обработке поверхности порошка и последующему горячему изостатическому прессованию в объеме материала образуется макроскопически изотропная упрочняющая фаза, состоящая из непрерывной ячеистой твердой тонкослойной пространственной сетки. Элементарные ячейки упрочняющей фазы имеют зернистую структуру, непрерывную и замкнутую, с высокопрочным матричным металлом внутри. Материал упрочняется за счет микроизолированной твердой тонкостенной структуры, в то время как высокопрочный матричный металл внутри оболочки повышает прочность материала. Твердая тонкостенная фаза образуется в результате затвердевания междоузельного кислорода в поверхностном слое частиц путем предварительной обработки порошка тантала или сплава тантала, или путем образования слоя оксида тантала с низкой валентностью. Затем предварительно обработанный порошок подвергается горячему изостатическому прессованию (ГИП) при температуре значительно ниже, чем при обычном высокотемпературном спекании, что позволяет частицам порошка с упрочненными слоями металлургически связываться друг с другом, образуя изотропную и непрерывно распределенную ячеистую твердую тонкостенную пространственную сеть внутри основного материала. Из-за низкой температуры ГИП кислороду трудно диффундировать и гомогенизироваться внутри зерен; содержание кислорода и твердость материала остаются высокими в пограничном слое и низкими в центре, тем самым упрочняя материал. Дальнейший отжиг при более высокой температуре в этом основном материале позволяет кислороду постепенно диффундировать из пограничного слоя к центру, изменяя свойства материала. Таким образом, высокотемпературная термообработка позволяет значительно контролировать механические свойства материала, расширяя диапазон его механических характеристик.
Гидрогенизированный и дегидрированный порошок тантала или сплава тантала подвергается термообработке при температурах 300–800℃ и парциальном давлении кислорода 10⁻¹ Па–10³ Па с образованием твердого раствора кислорода, растворенного в тантале, или низковалентного оксида тантала, образованного кислородом и танталом на поверхности порошка. Толщина и содержание кислорода в кислородсодержащем твердом слое контролируются путем изменения температуры и парциального давления кислорода при оксигенационной обработке.
Порошок тантала или сплава тантала с твердой тонкослойной поверхностной структурой затем помещается в контейнер из чистого тантала и подвергается горячей изостатической кристаллизации при температурах 1300–1500℃ и давлении 150–200 МПа с образованием плотного объемного материала. Внутренняя микроструктура материала состоит из замкнутого агрегата твердых тонкостенных элементарных ячеек, подобно структуре косточки плода. Твердые оболочки образуют границы зерен, а внутри находится прочный матричный металл. Бесчисленные агрегаты твердых тонкостенных элементарных ячеек образуют непрерывную изотропную твердую тонкостенную пространственную сетку, которая служит основным упрочняющим элементом материала.
Прочность и пластичность объемных материалов из тантала или танталовых сплавов с непрерывной твердой тонкостенной пространственной сеткой в качестве упрочняющей фазы могут контролироваться в широком диапазоне путем высокотемпературной вакуумной термообработки при различных температурах от 1800 до 2400℃. Прочность может быть увеличена с уровня расплавленных сплавов примерно вдвое. Кроме того, этот тип танталового сплава не демонстрирует роста зерен после высокотемпературной термообработки, сохраняя микроструктуру после горячего изостатического прессования.
Этот метод преодолевает недостатки традиционных методов упрочнения металлов, которые часто основаны на разделении элементов, изолированных матричным металлом, что приводит к слабой корреляции между упрочняющими элементами; и упрочнения ультрамелкозернистыми материалами, которое основано на увеличении количества границ зерен и не может быть использовано для высокотемпературных конструкций. В этом методе в качестве упрочняющего элемента используется непрерывная ячеистая пространственная сетка с твердой оболочкой, а в качестве упрочняющего элемента — матричный металл, окруженный твердой оболочкой, при этом твердоячеистая пространственная сетка является основной упрочняющей структурой. Поверхностная оксидация порошка тантала или танталового сплава дает металлический порошок, твердый снаружи и прочный внутри. Затем порошок подвергается горячему изостатическому прессованию для получения плотного объемного материала, упрочненного непрерывной ячеистой пространственной сеткой с твердой оболочкой. Дальнейшая термообработка при более высоких температурах позволяет регулировать его механические свойства. Этот тип материала из тантала и танталового сплава не демонстрирует роста зерен при 2200℃ и может использоваться в высокотемпературных конструкциях.