CN107164678B - 一种高温化学容器用钽材料及其制备方法 - Google Patents

一种高温化学容器用钽材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高温化学技术领域的一种高温化学容器用钽材料及其制备方法。所述钽材料中，钽基体由以下质量百分含量的组分组成：99.84％‑99.90％Ta、0.04％‑0.06％Hf、0.06％‑0.07％Zr、0％‑0.03％C；在钽基体的外层为钽碳层，厚度为20‑80μm，具体制备方法为：添加铪、锆及碳等元素进行钽微合金化，经渗碳前处理，将样件进行真空渗碳处理，真空度要求<10‑3Pa，渗碳温度为1000～1600℃，保温1‑10h，炉压4000‑6000Pa，并对样件进行表面研磨。本发明在纯钽中添加铪、锆，可降低钽基体的浸润性能，同时降低合金中氧的溶解度，提高合金的热稳定性；通过渗碳处理，合金表面形成耐腐蚀性能优异、浸润性能差的钽碳层；钽碳层与基体紧密结合，解决了钽碳层易破裂及掉落的难题；加工成高温化学容器后与目标金属易分离，使用寿命较长。

Description

一种高温化学容器用钽材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高温化学技术领域，具体涉及一种高温化学容器用钽材料及其制备方法。
背景技术
高温化学容器是高温化学过程必备的关键器件，其材料的好坏直接影响分离提取物的纯度，高温化学过程的安全性和可靠性，以及后续高放废料储存难度与处理成本。目前高温化学容器用可选用的材料主要有三类：钽及其合金等难熔金属材料、表面喷涂NbC或YO的石墨材料以及MgO、CaO、CaF2、BeO等陶瓷材料。其中石墨表面喷涂NbC或YO涂层在使用过程中易发生开裂或剥落，直接污染物料；陶瓷材料难以逾越抗热震性差的缺点，导致其使用寿命短，因此带来高放废料储存与处理等一系列后续难题；而钽及其合金制备的高温化学容器虽具有优异的耐高温性能和抗热震性能，但与目标金属浸润性能好易导致熔融的金属粘附在钽容器的表面，侵蚀容器材料的晶界，沿着晶界渗入，导致容器变脆并最终破碎，同时污染物料并不易移除。目前已有通过将钽容器进行渗碳处理从而形成更具有阻挡性能的钽碳表面层，能有效降低与目标金属的浸润性，但是这些表面层与基体非紧密相连，在熔体的冷却过程中受到压力易导致钽碳层破裂和掉落。因此急需一种不易被腐蚀性液体润湿，具有抗热和抗腐蚀性，至少可以使用几个循环周期的容器材料。
发明内容
本发明的目的是提出一种高温化学容器用钽材料及其制备方法，具体技术方案如下：
一种高温化学容器用钽材料，其特征在于，所述钽材料中，钽基体由以下质量百分含量的组分组成：99.84％-99.90％Ta、0.04％-0.06％Hf、0.06％-0.07％Zr、0％-0.03％C；在钽基体的外层进行渗碳处理，形成钽碳层外层。
所述钽碳层为TaC或TaC、Ta2C混合物，其厚度为20-80μm。
一种高温化学容器用钽材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将Ta、Hf、Zr及C粉末按照权利要求1所述的质量百分比混合均匀、等静压压制、烧结、熔炼铸造，铸锭扒皮；
(2)将步骤(1)中铸锭加工成渗碳样件，进行喷砂处理，再进行抛光；
(3)步骤(2)中抛光的样件进行渗碳处理；
(4)将步骤(3)中渗碳样件进行表面研磨，即得高温化学容器用钽材料。
步骤(1)中烧结为高真空烧结，真空度<10-3Pa。
步骤(1)中熔炼铸造采用电子束熔炉，熔炼温度为3200℃-3600℃。
步骤(2)中加工采用塑性加工与机加工相结合的方式，其中塑性加工为锻造、旋压或轧制。
步骤(2)中渗碳样件Ra<0.8μm，晶粒度为30-50μm。
步骤(3)中渗碳处理的碳源为烃类气体。
所述烃类气体为甲烷、丙烷或乙炔。
步骤(3)中渗碳处理采用真空渗碳，真空度<10-3Pa，炉压4000-6000Pa，渗碳温度为1000～1600℃，保温1-10h。
步骤(4)中采用球形弹丸进行表面研磨，研磨时间为1-3h。
本发明的有益效果为：
1、本发明在纯钽材料的基础上进行了钽微合金化，添加铪、锆表面自由能比钽低的合金元素，降低钽基体的浸润性能；同时铪和锆能降低合金中氧的溶解度，与氧形成氧化物沉淀，从而提高合金的热稳定性。
2、通过渗碳处理，合金表面形成耐腐蚀性能优异、浸润性能差的钽碳层，同时微合金化中少量碳元素的添加也能促进钽碳层的生成，再结合渗碳后处理的表面研磨，使钽碳层与基体紧密结合，抚平钽碳层表面的微孔结构，抑制目标金属熔体从微孔渗入，钽碳层与基体的紧密结合也解决了钽碳层易破裂及掉落的难题。
3、本发明钽材料具有低的溶解度，加工成高温化学容器后与目标金属易分离，使用寿命较长，至少可以使用几个循环周期。
附图说明
图1为钽材料渗碳前后示意图。
图2为实施例1的渗碳工艺曲线。
图3为实施例2的渗碳工艺曲线。
图4为实施例3的渗碳工艺曲线。
具体实施方式
本发明针对钽及其合金制备的高温化学容器使用时晶界易腐蚀、与目标金属难以脱落分离、渗碳处理后钽碳层易破裂和掉落的缺陷，提出了一种高温化学容器用钽材料及其制备方法，下面结合实施例对本发明做进一步介绍。
实施例1
钽材料化学成分及质量百分比为99.85％Ta、0.06％Hf、0.06％Zr、0.03％C，表层为TaC层组织，厚度为30μm，钽材样件尺寸为Ф50mm×5mm，具体处理步骤如下：
(1)钽微合金化：根据钽材料化学成分要求进行混粉，保证各合金元素分布均匀，然后进行等静压压制，等静压压制采取冷等静压，成型压力为300MPa，保压时间为200s，再在真空度为0.7×10-3Pa的高真空烧结炉中进行烧结，烧结完成后采用电子束熔炼炉进行熔炼铸造，熔炼温度控制在3300-3400℃，匀速融化以保证合金成分要求，最后扒除铸锭粗糙表皮约0.5mm待用；
(2)渗碳前处理：将步骤(1)中铸锭先采用锻造再采用轧制的方式加工到渗碳样件尺寸，保证组织晶粒度在30-50μm，然后进行喷砂处理，再采用抛光布对其表面进行抛光，去除表面粘附物，保证渗碳表面粗糙度均匀一致，粗糙度Ra为0.75μm；
(3)渗碳处理：将步骤(2)中抛光好的样件进行渗碳处理，采用真空渗碳处理，真空度为0.6×10-3Pa，渗碳气体为乙炔，渗碳温度为1000℃，保温8h，炉压4500Pa，炉冷到室温取出；
(4)渗碳后处理：采用球形弹丸对步骤(3)中渗碳样件进行表面研磨，研磨时间约为1h，通过球形弹丸与样品表面的不断冲击，产生一定的塑性变形，抚平钽碳层表面的微孔结构，使钽碳层与基体紧密结合，同时去除表面粘附物。
图1为钽材料渗碳前后示意图，图2为本实施例的渗碳工艺曲线。将该样件置于金属熔体铈中，能与铈较好的分离，测试接触角>45°，且耐腐蚀性能良好，在真空度<10-3Pa，升降温速率>30℃/min，1600℃保温5h的情况下，至少可以使用5个循环周期，该材料合格。
实施例2
钽材料化学成分及质量百分比为99.88％Ta、0.04％Hf、0.06％Zr、0.02％C，表层为TaC层组织，厚度为50μm，钽材样件为Ф外100mm×Ф内90mm×100mm的筒形件，具体处理步骤如下：
(1)钽微合金化：根据钽材料化学成分要求进行混粉，保证各合金元素分布均匀，然后进行等静压压制，等静压压制采取冷等静压，成型压力为300MPa，保压时间为200s，再在真空度为0.7×10-3Pa的高真空烧结炉中进行烧结，烧结完成后采用电子束熔炼炉进行熔炼铸造，熔炼温度控制在3300-3400℃，匀速融化以保证合金成分要求，最后扒除铸锭粗糙表皮约0.5mm待用；
(2)渗碳前处理：将步骤(1)中铸锭先采用锻造再采用旋压的方式加工到渗碳样件尺寸，保证组织晶粒度在30-50μm，然后进行喷砂处理，再采用抛光布对其表面进行抛光，去除表面粘附物，保证渗碳表面粗糙度均匀一致，粗糙度Ra为0.18μm；
(3)渗碳处理：将步骤(2)中抛光好的样件进行渗碳处理，采用真空渗碳处理，真空度为0.67×10-3Pa，渗碳气体为甲烷，渗碳温度为1300℃，保温2.5h，炉压5500Pa，炉冷到室温取出；
(4)渗碳后处理：采用球形弹丸对步骤(3)中渗碳样件进行表面研磨，研磨时间约1.5h，通过球形弹丸与样品表面的不断冲击，产生一定的塑性变形，抚平钽碳层表面的微孔结构，使钽碳层与基体紧密结合，同时去除表面粘附物。
本实施例的渗碳工艺曲线如图3所示。将该样件置于金属熔体铈中，能与铈较好的分离，测试接触角>45°，且耐腐蚀性能良好，在真空度<10-3Pa，升降温速率>30℃/min，1600℃保温5h的情况下，至少可以使用8个循环周期，该材料合格。
实施例3
钽材料化学成分及质量百分比为99.90％Ta、0.04％Hf、0.06％Zr、0％C，表层为TaC与Ta2C混合相层组织，厚度为80μm，钽材样件长宽高为100mm×80mm×50mm，壁厚5mm的矩形件，具体处理步骤如下：
(1)钽微合金化：根据钽材料化学成分要求进行混粉，保证各合金元素分布均匀，然后进行等静压压制，等静压压制采取冷等静压，成型压力为300MPa，保压时间为200s，再在真空度为0.8×10-3Pa的高真空烧结炉中进行烧结，烧结完成后采用电子束熔炼炉进行熔炼铸造，熔炼温度控制在3300-3400℃，匀速融化保证合金成分要求，扒除铸锭粗糙表皮约0.5mm待用；
(2)渗碳前处理：将步骤(1)中铸锭先采用锻造再采用轧制的方式加工到渗碳样件尺寸，保证组织晶粒度在30-50μm，然后进行喷砂处理，再采用抛光布对其表面进行抛光，去除表面粘附物，保证渗碳表面粗糙度均匀一致，粗糙度Ra为0.34μm；
(3)渗碳处理：将步骤(2)中抛光好的样件进行渗碳处理，采用真空渗碳处理，真空度为0.3×10-3Pa，渗碳气体为乙炔，渗碳温度为1600℃，保温4h，炉压4000Pa，炉冷到室温取出；
(4)渗碳后处理：采用球形弹丸对步骤(3)中渗碳样件进行表面研磨，研磨时间约2h，通过球形弹丸与样品表面的不断冲击，产生一定的塑性变形，抚平表面的微孔结构，使钽碳层与基体紧密结合，同时去除表面粘附物。
本实施例的渗碳工艺曲线如图4所示。将该样件置于金属熔体铈中，能与铈较好的分离，测试接触角>45°，且耐腐蚀性能良好；在真空度<10-3Pa，升降温速率>30℃/min；1600℃保温5h的情况下，至少可以使用10个循环周期，该材料合格。

Claims (10)

1.一种高温化学容器用钽材料的制备方法，其特征在于，所述钽材料中，钽基体由以下质量百分含量的组分组成：99.84%-99.90%Ta、0.04%-0.06%Hf、0.06%-0.07%Zr、0%-0.03%C；在钽基体的外层进行渗碳处理，形成钽碳层，包括如下步骤：
（1）将Ta、Hf、Zr及C粉末按照所述的质量百分比混合均匀、等静压压制、烧结、熔炼铸造，铸锭扒皮；
（2）将步骤（1）中铸锭加工成渗碳样件，进行喷砂处理，再进行抛光；
（3）步骤（2）中抛光的渗碳样件进行渗碳处理；
（4）将步骤（3）中渗碳样件进行表面研磨，即得高温化学容器用钽材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中烧结为高真空烧结，真空度<10-3Pa。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中熔炼铸造采用电子束熔炉，熔炼温度为3200℃-3600℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中加工采用塑性加工与机加工相结合的方式，其中塑性加工为锻造、旋压或轧制。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中渗碳样件Ra <0.8μm，晶粒度为30-50μm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中渗碳处理的碳源为烃类气体。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述烃类气体为甲烷、丙烷或乙炔。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中渗碳处理采用真空渗碳，真空度<10-3Pa，炉压4000-6000Pa，渗碳温度为1000~1600℃，保温1-10h。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中采用球形弹丸进行表面研磨，研磨时间为1-3h。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钽碳层为TaC或TaC、Ta2C混合物，其厚度为20-80μm。
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