Die unzureichende Festigkeit von reinem Tantal erfordert die Herstellung von Legierungen mit hoher Festigkeit im Temperaturbereich von 1000 °C bis 1900 °C. Diese Legierungen lassen sich in geeignete Formen bringen und weisen eine ausreichende inhärente Oxidationsbeständigkeit auf oder können durch geeignete Beschichtungen wirksam geschützt werden, sodass ein Betrieb in diesem Temperaturbereich ohne vorzeitigen Bauteilausfall möglich ist. Aus wirtschaftlichen Gründen ist die Forschung und Entwicklung neuer Legierungen unerlässlich. Wolfram hat einen Schmelzpunkt von bis zu 3450 °C. Wie Tantal ist Wolfram ein kubisch-raumzentriertes Metall und bildet mit Tantal eine unendliche Mischkristallreihe. Daher kann die Zugabe von Wolfram zu Tantal zur Herstellung von Tantal-Wolfram-Legierungen die unzureichende Festigkeit von reinem Tantal überwinden und die Zugfestigkeit des Materials deutlich verbessern. Rheniummetall hat einen Schmelzpunkt von 3186 °C und ist eines der dichtesten Elemente. Es besitzt den zweithöchsten Schmelzpunkt aller bekannten reinen Metalle. Rheniummetall weist eine niedrige Duktil-Spröd-Übergangstemperatur auf und bildet keine Carbide. Es besitzt eine hexagonal dichteste Kugelpackung und ist zu über 25 % in Tantal löslich. Rheniummetall trägt maßgeblich zur Härtung von Tantal-Rhenium-Legierungen bei. Unter den bekannten hochschmelzenden Metallen besitzt es die beste verstärkende Wirkung auf Tantallegierungen. Tantal-Rhenium-Legierungen weisen zudem eine niedrige Spröd-Duktil-Übergangstemperatur und eine gute Duktilität (Plastizität) bei Raumtemperatur auf.
Tantallegierungsrohre werden häufig in Raketendüsen, hochtemperaturbeständigen und korrosionsbeständigen Wärmetauschern im Bereich der Atomenergieentwicklung sowie in Infrarotstrahlungsröhren für die Infrarotortung eingesetzt. Diese Anwendungen erfordern eine gleichmäßige Wandstärke für Tantallegierungsrohre. Derzeit fordern nationale und internationale Normen für Tantallegierungsrohre eine Wandstärkentoleranz von ±10 %. Tantalmetall besitzt jedoch eine relativ hohe Dichte von bis zu 16,6 g/cm³. Eine Lockerung der Toleranzen wirkt sich negativ auf die Materialausdünnung und Gewichtsreduzierung aus. Daher ist die Forschung und Entwicklung von Tantallegierungsrohren mit einer Wandstärkentoleranz von ≤ ±5 % unerlässlich.
Diese Erfindung betrifft Tantallegierungen und deren Herstellungsverfahren sowie nahtlose Tantallegierungsrohre und deren Herstellungsverfahren. Sie adressiert das Problem der unzureichenden Festigkeit von Bauteilen aus reinem Tantalmetall in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt sowie Kernenergieentwicklung. Die erfindungsgemäß hergestellte Tantallegierung weist bei 1100 °C eine Vickershärte von ≥150 auf und zeichnet sich durch gute Bearbeitbarkeit bei Raumtemperatur, hohe Festigkeit und Härte bei hohen Temperaturen aus. Nahtlose Tantallegierungsrohre, die mit dieser Legierung hergestellt werden, besitzen eine ausgezeichnete Plastizität bei Raumtemperatur und eine gute Oxidationsbeständigkeit und eignen sich daher für den Einsatz in rauen und extremen Umgebungen mit Temperaturen über 1100 °C.
Die erste Tantallegierung wird vakuumrekristallisiert und in einem Vakuumglühofen geglüht. Anschließend wird sie abgekühlt, um eine zweite Tantallegierung zu erhalten. Diese durchläuft zwei Zyklen des Schmiede-, Vakuumrekristallisations- und Glühprozesses, um eine dritte Tantallegierung zu erhalten. Dabei wird sichergestellt, dass die Korngröße der dritten Tantallegierung ≤ 300 µm beträgt. Bohrer und Drehdorn werden ausgewählt und Bohrungen in die dritte Tantallegierung eingebracht. Die Innenwände der Bohrungen werden poliert. Die gebohrte dritte Tantallegierung wird anschließend in einem Muffelofen auf 400–800 °C erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten. Der Drehdorn wird 20–30 Minuten lang mit Öl geschmiert, bevor die erhitzte dritte Tantallegierung darauf befestigt wird. Die dritte Tantallegierung wird mithilfe einer Matrize auf einer hydraulischen Presse mehrfach umgeformt, wobei die Umformung pro Durchgang ≤ 10 % und die Gesamtumformung ≥ 50 % beträgt, bis die Legierung für das Walzen des Rohres geeignet ist. Der Walzdorn wird entfernt, um den ersten Rohrrohling zu erhalten.
Der erste Rohrrohling wird anschließend in einem Vakuumglühofen spannungsarmgeglüht. Nach dem Spannungsarmglühen wird der erste Rohrrohling abgekühlt, um den zweiten Rohrrohling zu erhalten. Der zweite Rohrrohling wird einer Fehlerentfernung unterzogen, indem innere und äußere Kratzer und Falten entfernt werden. Risse werden durch Schleifen beseitigt, um den dritten Rohrrohling zu erhalten. Die Walzen und der Kaltwalzdorn werden ausgewählt, und der dritte Rohrrohling wird auf einem Dreiwalzenwalzwerk mehrfach kaltgewalzt, wobei die Umformung pro Durchgang 20–30 % und die Gesamtumformung ≥ 80 % beträgt. Der dritte Rohrrohling wird auf das Endmaß gewalzt, um ein Tantallegierungsrohr zu erhalten. Das Tantallegierungsrohr wird gereinigt und auf die benötigte Länge zugeschnitten, um ein Halbzeug zu erhalten.
Das Halbzeug wird in einem Vakuumglühofen geglüht und anschließend abgekühlt, um ein nahtloses Tantallegierungsrohr zu erhalten. Darüber hinaus wird auch ein nahtloses Tantallegierungsrohr bereitgestellt, das nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wird. Das nahtlose Tantallegierungsrohr weist einen Außendurchmesser von 3–38 mm, eine Wandstärke von 0,2–5 mm, eine Länge von 0–12000 mm, eine Wandstärkentoleranz von ≤±4 %, eine Korngröße von 20–40 μm, eine Zugfestigkeit bei Raumtemperatur von ≥450 MPa und eine Bruchdehnung von ≥25 % auf. Durch die Entwicklung dieser Tantallegierung und ihres Herstellungsverfahrens wurden dem Tantal Wolfram und Rhenium zugesetzt. Die resultierende Tantallegierung wies einen Sauerstoffgehalt von ≤ 80 ppm, einen Kohlenstoffgehalt von ≤ 40 ppm und einen Stickstoffgehalt von ≤ 20 ppm auf. Nach Vakuumsintern, zwei Elektronenstrahlschmelzprozessen und thermomechanischer Bearbeitung zeigte die Tantallegierung bei 1100 °C eine Vickershärte von ≥ 200 und wies somit gute Bearbeitbarkeit bei Raumtemperatur, hohe Festigkeit und hohe Härte bei hohen Temperaturen auf.
Durch die Konstruktion dieses nahtlosen Tantallegierungsrohrs und dessen Herstellungsverfahren wird die oben beschriebene Tantallegierung einem mehrdirektionalen Schmiedeprozess unterzogen. Dieser Prozess verdichtet die ursprüngliche Entmischung und Porosität innerhalb der Tantallegierung, wodurch deren grobes Gefüge feiner und dichter wird und somit die Plastizität und die mechanischen Eigenschaften der Tantallegierung verbessert werden. Das Produkt weist ein dichtes Mikrogefüge mit feinen und gleichmäßigen Körnern auf. Insgesamt werden drei Glühbehandlungen durchgeführt. Temperatur und Dauer der Vakuumglühung werden präzise gesteuert, um die fragmentierten Körner nach jedem Schmiedevorgang zu rekristallisieren und so ein einheitliches Korngefüge zu erzielen. Das hergestellte nahtlose Tantallegierungsrohr weist folgende Eigenschaften auf: Außendurchmesser 3–38 mm, Wandstärke 0,2–5 mm, Länge 0–12.000 mm, Wandstärkentoleranz ≤ ± 4 %, Korngröße 20–40 µm, Zugfestigkeit bei Raumtemperatur ≥ 450 MPa, Bruchdehnung ≥ 25 %, ausgezeichnete Plastizität bei Raumtemperatur und gute Oxidationsbeständigkeit. Es eignet sich für den Einsatz in extremen Umgebungen mit Temperaturen über 1100 °C.
