航空航天、軍事工業(yè)中很多的關(guān)鍵部件在高溫條件下工作，受到熱、機械以及化學(xué)三種過程的交互作用，燒蝕磨損嚴(yán)重。因此，在高溫下具有良好耐磨損燒蝕性能的材料是尖端工業(yè)領(lǐng)域的迫切需求。

1、軍事工業(yè)與航空航天中的燒蝕磨損問題

1.1

燒蝕磨損帶來的危害

磨損與燒蝕是熱力學(xué)、機械以及化學(xué)三種過程交互作用而造成的材料表面破壞現(xiàn)象，是高溫極端工況下材料失效的主要形式，高溫下的摩擦磨損更加劇烈，機制更加復(fù)雜。在磨損燒燭工況下，工件表面不斷發(fā)生材料的流失、表面化學(xué)成分變化、形成熱影響層以及表面的開裂，表面的局部破壞最終將導(dǎo)致整個工件失效，造成巨大的資源浪費、經(jīng)濟損失，甚至還構(gòu)成安全威脅。這一情況發(fā)生的一個典型場景就是位于炮管之中，如果在武器裝備上發(fā)生工件失效問題，其影響可能是巨大的。

1.2

解決辦法

目前對于耐磨損與耐燒蝕問題的解決方案主要就是進行保護涂層的制備，而鍍鉻是目前國內(nèi)外唯一可以大規(guī)模使用的涂層技術(shù)。但是在某些極端工況下，工件表面的溫度高達2200～3500攝氏度，其中約五分之一的熱量為工件材料吸收，而熱作用時間為10微秒。工件表面熱量來不及向外傳遞，存在較大的溫度梯度，由此造成的熱應(yīng)力會造成鉻涂層的脫落。

此外，高溫也加劇了反應(yīng)性氣體與工件表面金屬的化學(xué)作用，使得低溶點金屬氧化物的形成，這就進一步促成了工件表面局部區(qū)域的融化。而融化的區(qū)域則會在氣體的沖刷與機械磨損下被逐漸剝離，這種燒蝕磨損比正常磨損快很多倍。同時還存在鉻硬度較高、脆性大，而剪切和抗拉強度較低。因此鉻涂層已經(jīng)很難滿足現(xiàn)有的磨損燒蝕要求，研發(fā)更高性能的涂層已經(jīng)迫在眉睫。

1.3

對新型涂層的要求

對于新型的高性能涂層來說需要滿足以下要求：高熔點；良好的高溫強度；可抵抗反應(yīng)性氣體的燒燭；熱機械性能與鋼材相匹配；與基體結(jié)合良好；且需一定厚度以保護工件由于熱作用引起的機械強度降低。

2、燒蝕磨損問題的解決材料——鉭

鉭（Ta），金屬元素，以體心立方ａ相為主導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其熔點約2996℃，僅次于碳、銪、錸和鋨。鉭的彈性模量與鋼類似，具有良好的傳導(dǎo)性和易塑性。除此之外，鉭的金屬活動性較低，具有極高的抗腐蝕性，常溫下各種強酸無法腐蝕（除氟化氫和發(fā)煙硫酸）。同時鉭還具有良好的生物相容性、良好的耐磨性能等。目前鉭金屬已經(jīng)被應(yīng)用于諸如醫(yī)療、航空航天、軍事工業(yè)等多個領(lǐng)域，特別是在航空航天和軍事領(lǐng)域。

鉭良好的高溫機械性能滿足磨損與燒蝕工況的要求，鉭涂層合理的開發(fā)利用可以提高磨損燒燭工況下的工件壽命、節(jié)約資源，同時還能夠獲得良好的經(jīng)濟效益和安全保障。Lee等制備了鉭涂層，并研究了鉭涂層與鉻涂層的耐燒蝕磨損性能，結(jié)果1200次循環(huán)實驗后鉻涂層的磨損率明顯上升，而鉭涂層仍然保持穩(wěn)定。

3、鉭應(yīng)用實例

3.1

炮身內(nèi)覆材料

火藥在爆炸時產(chǎn)生溫度可達2500～3500K，壓力可達300～800MPa的尾焰，尾焰中含有H2S,CO,O2,H2,H2O,N2及火藥殘留顆粒等侵蝕性成分。因此，火炮身管在彈丸發(fā)射時將經(jīng)受高溫高壓火藥氣體的物理化學(xué)作用(高溫氣體的熱作用、高速氣流的沖刷、火藥氣體殘渣對內(nèi)膛的腐蝕、高速運動彈丸對內(nèi)壁的磨損)。在此工況下，火炮身管內(nèi)膛將承受劇烈的燒蝕侵蝕和磨損導(dǎo)致內(nèi)膛幾何形狀和尺寸發(fā)生改變，直接影響火炮的射擊精度及其身管的壽命。

鉭(Ta)有著良好的物理、化學(xué)性能:屬高熔點難熔金屬(熔點2996℃)、較低的熱傳導(dǎo)率(57W/m℃)、良好的抗化學(xué)腐蝕能力(在高溫下能抗酸、鹽及有機化學(xué)物的腐蝕)、優(yōu)異的抗燒蝕能力及良好的塑、韌性(bcc結(jié)構(gòu)Ta)。因此，鉭或鉭合金涂層被認為是替代耐燒蝕、抗沖刷用電鍍Cr涂層的理想涂層體系。Ta層若要應(yīng)用于火炮身管并起到長時間防火藥氣體燒蝕的目的，濺射Ta層應(yīng)主要由α-Ta組成、厚度至少在75μm、涂層與基體各個方向上要有足夠的結(jié)合力，以抵御火炮發(fā)射過程的熱震及高剪切應(yīng)力。

Lee等利用試驗三極管濺射系統(tǒng)在20mm內(nèi)徑鋼制膛線襯管內(nèi)沉積了50~125μm厚Ta層，經(jīng)1500次實彈靶試后，Ta層完整，對基體起到了良好的保護作用。同時Lee等利用800℃熔融鹽在鋼制膛線襯管內(nèi)制備了α-Ta層，經(jīng)5034次實彈靶試后涂層依然致密且與基體結(jié)合緊密。

3.2

穿甲彈中的應(yīng)用

隨著裝甲材料的發(fā)展，現(xiàn)代反裝甲戰(zhàn)斗部對爆炸成形彈藥型罩材料的要求也越來越高。藥型罩形成更長而且穩(wěn)定的射流要求藥型罩材料具備高密度、高聲速、良好的導(dǎo)熱性、高動態(tài)斷裂延伸率等性能。此外，藥型罩材料還要求具有細晶粒、低的再結(jié)晶溫度，一定的織構(gòu)等顯微組織形態(tài)。

鉭、貧鈾等具有高密度，高動態(tài)延伸率及縱火等優(yōu)良的綜合特性。尤其是鉭的密度高(16.6g/cm3)和擁有良好的動態(tài)特性，是國外研究主要用于爆炸成形彈藥型罩的一種材料。Ta作為爆炸成形彈藥型罩材料，被廣泛地應(yīng)用到美制TOW-2B、TOW-NG等導(dǎo)彈中。彈道實驗表明，Ta的親徹性比Cu高30%~35%，可以達到150mm。

3.3

鉭在航天器中的應(yīng)用

鉭是高溫合金，特別是鎳基高溫合金的關(guān)鍵性添加劑。鉭添加到鎳基、鈷基和鐵基等各種合金中，可以制造超合金、耐蝕合金、耐磨合金等高性能合金。鉭高溫合金可以在800～1000℃以下工作。加入鉭主要是起固溶強化作用，提高合金的極限強度特別是高溫抗蠕變強度、抗氧化性能和耐腐蝕性能。高溫合金優(yōu)異的高溫強度、良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能、良好的疲勞性能和斷裂韌性等綜合性能，使其成為航空發(fā)動機渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、渦輪盤等高溫部件的關(guān)鍵材料。

目前國外幾乎所有高性能的軍用和民用航空發(fā)動機中耐熱度最高、應(yīng)力負荷最大的零部件，都采用鉭高溫合金。最近開發(fā)的第三代含鉭單晶合金的熔點得到了進一步提高，制造出的單晶渦輪葉片可以在更高溫度下工作，且節(jié)省燃料，壽命更長。

為了承受高溫?zé)嵫h(huán)的考驗(1300℃/20min)，航天器的零件表面必須實施保護涂層以提高其抗氧化能力。因此，研究經(jīng)濟可行和穩(wěn)定可靠的高溫保護涂層對于鉭在航天工業(yè)中的高溫應(yīng)用意義重大。由于鉭的熔點高，人們將其主要用作加熱爐零件和噴氣發(fā)動機零件，在航天和導(dǎo)彈技術(shù)中占有極其重要的地位。