Die Ta-W-Hf-Re-C-Legierung besteht aus folgenden Elementen in Massenprozent: W 6–8 %, Hf 3–5 %, Re 0,8–0,9 %, C 0,3–2 %, Rest Ta und unvermeidbare Verunreinigungen. Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Ta-W-Hf-Re-C-Legierungsstäben, das folgende Schritte umfasst: 1. Formen nach Homogenisierung des Rohmaterialpulvers; 2. Vakuum-Hochtemperatursintern; 3. Vakuum-Elektronenstrahlschmelzen; 4. Gesenkschmieden. Durch die Zugabe von Hf zur Bildung eines stabilen Oxids werden die Korrosionsbeständigkeit, die Hochtemperaturleistung und die Verarbeitungseigenschaften der Legierung verbessert. Die Zugabe von Re und C erhöht die Kriechfestigkeit der Legierung und macht sie somit für den Einsatz unter extremen Bedingungen wie extrem hohen Temperaturen und extrem hohen Drücken geeignet. Das Herstellungsverfahren dieser Erfindung fördert die Homogenisierung der Legierung, vermeidet eine signifikante Verflüchtigung von Hafnium und gewährleistet die Leistungsfähigkeit der Ta-W-Hf-Re-C-Legierungsstäbe.
Hohe Neutronenstrahlung und potenzieller Kontakt mit flüssigen Alkalimetallkühlmitteln erfordern Werkstoffe mit hoher Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen, guter Korrosionsbeständigkeit, hoher Dauerfestigkeit bei hohen Temperaturen und hoher Bruchzähigkeit. Herkömmliche Nickel- und Kobaltbasis-Hochtemperaturlegierungen erfüllen diese Anforderungen nicht. Hochwolframhaltige Tantallegierungen sind ein wichtiger und weit verbreiteter hochfester Werkstoff unter den Tantallegierungen. Es handelt sich um einphasige, kontinuierliche Mischkristalllegierungen aus hochdichtem, hochschmelzendem Tantal und Wolfram. Sie sind typische Mischkristall-verfestigte Legierungen. Aufgrund ihrer hohen Dichte, ihres hohen Schmelzpunktes, ihrer Korrosionsbeständigkeit sowie ihrer guten Bearbeitbarkeit und Schweißbarkeit finden sie in den letzten Jahren zunehmend Anwendung in der Waffenindustrie, der Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen, wo sie unter extremen Bedingungen eingesetzt werden. Die derzeit in meinem Land am weitesten verbreiteten hochfesten Tantallegierungen sind Ta10W und Ta12W. Diese Legierungen weisen eine hohe Festigkeit bei Raumtemperatur, gute Plastizität und hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen auf, leiden jedoch alle unter einer geringen Oxidationsbeständigkeit. Tantal ist ein hochreaktives Metall, das bei Temperaturen über 300 °C an der Luft leicht Sauerstoff aufnimmt. Tantal-Wolfram-Legierungen selbst weisen eine geringe Oxidationsbeständigkeit auf und beginnen bei 600 °C zu oxidieren. Daher wird der Verstärkungsmechanismus solcher Legierungen in extremen Sauerstoffumgebungen, wie z. B. durch Hochgeschwindigkeits-Luftströmungen und extreme Temperaturen, leicht beeinträchtigt. Darüber hinaus sinkt die Kriechfestigkeit von Tantal-Wolfram-Legierungen bei Betriebstemperaturen über 1100 °C rapide. Um den Energiebedarf zukünftiger Weltraummissionen zu decken, ist daher die Entwicklung neuer Hochtemperatur-Strukturwerkstoffe unerlässlich.
In diesem Beitrag wird eine Ta-W-Hf-Re-C-Legierung vorgestellt. Durch die Zugabe von Hafnium (Hf) zur Tantal-Wolfram-Matrix, die ein stabiles Oxid bildet, verbessert diese Legierung ihre Korrosionsbeständigkeit, ihr Hochtemperaturverhalten und ihre Verarbeitbarkeit. Sie behält über einen weiten Temperaturbereich von niedrigen bis hohen Temperaturen eine ausgezeichnete Duktilität und Festigkeit bei. Gleichzeitig verbessert die Zugabe von Rhenium (Re) und Kohlenstoff (C) die Kriechfestigkeit effektiv, wodurch sich die Legierung für den Einsatz in extremen Umgebungen wie extrem hohen Temperaturen, extrem hohem Druck, starker Luftströmungserosion sowie schnellen Erwärmungs- und Abkühlungszyklen eignet. Zur Lösung der oben genannten technischen Probleme wird eine Ta-W-Hf-Re-C-Legierung bereitgestellt, die sich durch folgende Massenprozentanteile auszeichnet: W 6–8 %, Hf 3–5 %, Re 0,8–0,9 %, C 0,3–2 %, Rest Ta und unvermeidbare Verunreinigungen.
Die Zugabe von Schwefelwasserstoff (Hf) zur Tantal-Wolfram-Legierungsmatrix bildet ein stabiles Oxid, das nahezu immun gegen Alkalimetallkorrosion ist und die Korrosionsbeständigkeit der Legierung, insbesondere ihre Hochtemperaturbeständigkeit, deutlich verbessert. Dadurch erhöht sich die Beständigkeitstemperatur der Legierung gegenüber flüssigen Metallen wie Kalium (K), Natrium (Na) und Lithium (Li) auf 1260 °C. Gleichzeitig verstärkt die Zugabe aufgrund der hohen Sauerstoffaffinität von Hf die Legierung nicht nur durch Mischkristallbildung, sondern fördert auch die Bildung von Oxiden aus Hf und Sauerstoff. Dies reduziert die negativen Auswirkungen von Sauerstoff auf die Legierungseigenschaften. Daraus resultiert eine signifikante Verbesserung der Hochtemperatur- und Verarbeitungseigenschaften der Legierung. Im Temperaturbereich von -160 °C bis 1370 °C behält die Legierung eine ausgezeichnete Duktilität und Festigkeit und eignet sich daher für den Einsatz unter extremen Bedingungen wie extrem hohen Temperaturen, extrem hohen Drücken, starker Luftströmung und schnellen Erwärmungs- und Abkühlungszyklen. Des Weiteren verfeinert diese Erfindung die Korngröße durch Zugabe von Re (Brechungsindex) und verbessert die Kriechfestigkeit der Legierung effektiv durch die Zugabe von Kohlenstoff (C) zur Bildung einer zweiten Phase Ta₂C, die Versetzungen fixiert und deren Bewegung behindert.
Die Rohmaterialpulver werden gemischt und zu Streifen verpresst, anschließend werden sie unter Vakuum bei hoher Temperatur gesintert, um Sinterblöcke zu erhalten. Diese Blöcke werden dann drei Zyklen Vakuum-Elektronenstrahlschmelzen und Gesenkschmieden unterzogen, um Ta-W-Hf-Re-C-Legierungsstäbe zu erhalten. Durch den Einsatz eines Vakuum-Hochtemperatur-Sinterprozesses entfernt diese Erfindung effektiv gasförmige Verunreinigungen wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff sowie niedrigschmelzende und flüchtige Elemente aus den Blöcken. Gleichzeitig erfolgt die Vorlegierung. In Kombination mit drei Durchgängen des Vakuum-Elektronenstrahlschmelzens fördert dies die Homogenisierung der Legierung und verhindert wirksam die übermäßige Verflüchtigung von Hafnium sowie die Einbringung von Verunreinigungen. Dadurch werden die Zusammensetzung und der Gehalt der Ta-W-Hf-Re-C-Legierung sichergestellt und die Leistungsfähigkeit der Ta-W-Hf-Re-C-Legierungsstäbe gewährleistet.
Die Partikelgröße des Tantal-, Wolfram-, Hafnium-, Rhenium- und Kohlenstoffpulvers beträgt maximal 60 Mesh, und die Reinheit jedes einzelnen Pulvers liegt bei mindestens 99,5 %. Diese Erfindung verbessert die Gleichmäßigkeit der Legierung durch die Kontrolle der Partikelgröße jedes Rohmaterialpulvers, um eine homogene Mischung zu gewährleisten. Gleichzeitig wird durch die Verwendung hochreiner Rohmaterialpulver die Einbringung großer Mengen an Verunreinigungen bereits an der Quelle vermieden, was die Zusammensetzung der Legierung zusätzlich sichert. Zum Mischen wird ein V-Mischer mit einer Mischzeit von 24 Stunden verwendet. Die Formgebung erfolgt mittels einer Druckpresse. Durch den Einsatz eines V-förmigen Mischers und einer begrenzten Mischzeit wird eine gründliche und gleichmäßige Vermischung der Rohmaterialpulver gewährleistet; der Einsatz einer Druckpresse sorgt für gute Pressergebnisse und ist einfach durchzuführen.
