Ta-W-Hf-Re-C合金は、質量パーセントでW 6%～8%、Hf 3%～5%、Re 0.8%～0.9%、C 0.3%～2%の元素から構成され、残りはTaおよび不可避不純物である。本発明はまた、Ta-W-Hf-Re-C合金棒の製造方法を開示する。この方法は、1.原料粉末を均質化した後の成形、2.真空高温焼結、3.真空電子ビーム溶解、4.金型鍛造を含む。本発明は、Hfを添加して安定な酸化物を形成することにより、合金の耐食性、高温性能、および加工性を向上させる。ReおよびCの添加により合金のクリープ強度が向上し、超高温および超高圧などの極限環境での使用に適している。本発明の製造方法は、合金の均質化を促進し、Hfの著しい揮発を回避し、Ta-W-Hf-Re-C合金棒の性能を確保する。
高中性子束放射線、および液体アルカリ金属冷却材との接触の可能性。そのため、高い高温クリープ耐性、優れた耐食性、高い高温耐久強度、および破壊靭性を有する材料が必要となる。従来のニッケル基およびコバルト基高温合金は、これらの要求を満たすことができない。高タングステンタンタル合金は、タンタル合金の中でも重要かつ広く用いられている高温高強度材料である。これらは、高密度・高融点のタンタルとタングステンからなる連続固溶体単相二元合金であり、典型的な固溶強化合金である。高密度、高融点、耐食性、優れた加工性および溶接性のため、近年、極めて過酷な環境下で稼働する兵器、航空宇宙、その他の分野でますます広く利用されています。現在、我が国で最も成熟した高タングステンタンタル合金は、Ta10WとTa12Wです。これらの合金は、高い室温強度、良好な塑性、高温強度を有していますが、いずれも耐酸化性が低いという問題があります。タンタルは反応性の高い金属であり、300℃を超える空気にさらされると容易に酸素を吸収します。タンタルタングステン合金自体も耐酸化性が低く、600℃で酸化が始まります。したがって、このような合金の強化機構は、高速気流侵食や極端な温度といった極限的な酸素環境下では容易に損なわれます。さらに、タンタル・タングステン合金のクリープ耐性は、動作温度が1100℃を超えると急激に低下します。そのため、将来の深宇宙探査における電力要求を満たすためには、新たな高温構造材料の開発が不可欠です。
本論文では、Ta-W-Hf-Re-C合金を提案します。タンタル・タングステン合金マトリックスにHfを添加して安定な酸化物を形成することで、この合金は耐食性、高温性能、加工性を向上させています。低温から高温までの広い温度範囲で優れた延性と強度を維持します。同時に、ReとCの添加によりクリープ強度が効果的に向上し、超高温、超高圧、高速気流侵食、急速加熱・冷却といった極限環境下での使用に適した合金となっています。上記の技術的問題を解決するために、質量パーセントでW 6%～8%、Hf 3%～5%、Re 0.8%～0.9%、C 0.3%～2%を含み、残りがTaおよび不可避不純物であるTa-W-Hf-Re-C合金が提供される。
タンタル・タングステン合金マトリックスに硫化水素（Hf）を添加すると、アルカリ金属腐食に対してほぼ耐性のある安定な酸化物が形成され、合金の耐食性、特に高温耐食性が大幅に向上します。これにより、合金の液体金属K、Na、Liに対する耐食温度は1260℃まで上昇します。同時に、Hfは酸素との親和性が高いため、添加によって固溶体形成による合金の強化だけでなく、Hfと酸素からの酸化物形成も促進され、合金特性に対する酸素の悪影響が軽減されます。その結果、合金の高温特性と加工特性が大幅に向上します。-160℃～1370℃の温度範囲において、合金は優れた延性と強度を維持するため、超高温、超高圧、高速気流侵食、急速加熱・冷却などの過酷な環境での使用に適しています。さらに、本発明は、屈折率（Re）を添加することで結晶粒径を微細化し、炭素（C）を添加して転位を固定する第二相Ta₂C相を形成することで、転位の移動を阻害し、合金のクリープ強度を効果的に向上させる。
原料粉末を混合して帯状に成形し、高温真空下で焼結して焼結体を得る。これらの焼結体を、真空電子ビーム溶解と金型鍛造を3回繰り返すことで、Ta-W-Hf-Re-C合金棒を得る。本発明は、真空高温焼結プロセスを用いることで、炭素、酸素、窒素、水素などの気体不純物、ならびに低融点元素および揮発性元素を焼結体から効果的に除去する。同時に、予備合金化も完了する。真空電子ビーム溶解を3回繰り返すことで、合金の均質化が促進され、Hfの過剰な揮発や不純物元素の混入を効果的に防止し、Ta-W-Hf-Re-C合金の組成と含有量を確保し、Ta-W-Hf-Re-C合金棒の性能を保証する。
タンタル粉末、タングステン粉末、ハフニウム粉末、レニウム粉末、および炭素粉末の粒径はすべて60メッシュ以下であり、純度はそれぞれ99.5%以上である。本発明は、各原料粉末の粒径を制御することで均一な混合を確保し、合金の均一性を向上させる。同時に、高純度原料粉末を使用することで、原料段階での多量の不純物混入を回避し、合金の組成をさらに保証する。混合にはV型ミキサーを使用し、混合時間は24時間とする。成形には加圧プレスを使用する。 V型ミキサーの使用と混合時間の制限は、原料粉末の徹底的かつ均一な混合を促進します。また、加圧プレスを使用することで良好なプレス結果が得られ、実施も容易です。
