純粋なタンタル金属の強度不足のため、1000℃～1900℃の温度範囲で高強度を発揮する合金の製造が不可欠です。これらの合金は、有用な形状に成形でき、十分な耐酸化性を備えているか、適切なコーティングによって効果的に保護できるため、この温度範囲での早期故障を防ぎながら動作させることができます。経済的なコストを考慮すると、新しい合金の研究開発は不可欠です。
タングステンは3450℃という高い融点を持ちます。タンタルと同様に、タングステンは体心立方構造の金属であり、タンタルと無限固溶体を形成できます。したがって、タンタル金属にタングステンを添加してタンタル-タングステン合金を形成することで、純粋なタンタル金属の強度不足を克服し、材料の引張強度を大幅に向上させることができます。レニウム金属の融点は3186℃で、最も密度の高い元素の1つであり、既知の純金属の中で2番目に高い融点を持っています。レニウム金属は延性-脆性遷移温度が低く、炭化物を形成しません。レニウムは密に充填された六方晶構造を持ち、タンタルへの溶解度は25%を超えます。レニウム金属はタンタル-レニウム合金において強力な硬化作用を発揮します。既知の耐火金属の中で、タンタル系合金に対して最も優れた強化効果を持つ元素です。タンタル・レニウム合金は、脆性-延性遷移温度が低く、室温での延性（塑性）も良好です。
タンタル合金管は、ロケットノズル、原子力開発分野における高温・耐腐食性熱交換器、赤外線追跡用赤外線放射管などに広く用いられています。これらの用途では、タンタル合金管の肉厚が均一であることが求められます。現在、タンタル合金管に関する国内外の規格では、肉厚公差は±10%と規定されています。しかし、タンタル金属は密度が16.6g/cm³と比較的高いため、公差を緩和すると材料の薄肉化や軽量化に大きな悪影響を及ぼします。したがって、肉厚公差が±5%以下のタンタル合金管の研究開発が不可欠である。
本発明は、タンタル合金およびその製造方法、ならびに継目なしタンタル合金管およびその製造方法に関する。航空、宇宙、原子力開発などの分野において、純タンタル金属を用いた機器の強度不足という課題を解決するものである。本発明によって製造されるタンタル合金は、1100℃におけるビッカース硬度が150以上であり、良好な室温加工性、高い高温強度、および高温硬度を示す。このタンタル合金を用いて製造される継目なしタンタル合金管は、優れた室温塑性と良好な耐酸化性を有し、1100℃を超える過酷な環境下での使用が可能である。
最初のタンタル合金は、真空再結晶化され、真空焼鈍炉で焼鈍される。真空再結晶と焼鈍後の最初のタンタル合金を冷却して、2番目のタンタル合金を得る。2番目のタンタル合金は、鍛造-真空再結晶と焼鈍のプロセスを2サイクル繰り返して3番目のタンタル合金を得る。このとき、3番目のタンタル合金の結晶粒径が300µm以下になるようにする。ドリルビットとスピニングマンドレルの選択を決定し、3番目のタンタル合金に穴を開ける。開けた穴の内壁を研磨する。穴を開けた3番目のタンタル合金をマッフル炉で400～800℃に加熱し、その温度に保持する。20～30分間、スピニングマンドレルに油を塗布し、加熱した3番目のタンタル合金を取り付ける。油圧プレスに取り付けた金型を用いて、第3のタンタル合金を複数回回転させ、1回の回転あたりの変形量が10%以下、かつ全体の変形量が50%以上になるように調整し、第3のタンタル合金が管の圧延に適した状態になるまで繰り返します。マンドレルを取り外し、第1の管ブランクを得ます。
まず、最初のチューブブランクを真空焼鈍炉で真空応力除去焼鈍処理します。真空応力除去焼鈍後、最初のチューブブランクを冷却して2番目のチューブブランクを得ます。2番目のチューブブランクは、内部および外部の傷や折り目を除去する欠陥除去処理を受けます。亀裂は研削によって除去され、3番目のチューブブランクが得られます。ロールと冷間圧延マンドレルを選定し、3番目のチューブブランクを3本ロールミルで複数回冷間圧延します。この際、1パスあたりの変形率が20～30%、総変形率が80%以上となるようにします。3番目のチューブブランクを最終寸法まで圧延してタンタル合金管を得ます。タンタル合金管を洗浄し、所定の長さに切断して半製品を得ます。
半製品を真空焼鈍炉で焼鈍し、冷却して継ぎ目のないタンタル合金管を得ます。さらに、上記の方法を用いて作製された継ぎ目のないタンタル合金管も提供される。この継ぎ目のないタンタル合金管は、外径3～38mm、肉厚0.2～5mm、長さ0～12000mm、肉厚公差≦±4%、粒径20～40μm、室温引張強度≧450MPa、伸び≧25%である。このタンタル合金およびその製造方法を設計することにより、タンタルにタングステンとレニウムが添加された。得られたタンタル合金は、酸素含有量≦80ppm、炭素含有量≦40ppm、窒素含有量≦20ppmであった。真空焼結、2回の電子ビーム溶解、および熱機械加工を経て、タンタル合金は1100℃でビッカース硬度200以上を示し、良好な室温加工性、高い高温強度、および高い高温硬度を実証しました。
このシームレスタンタル合金管の設計と製造方法により、上記で製造されたタンタル合金は多方向鍛造に供され、タンタル合金内部の元の偏析と気孔が緻密化され、粗大組織がより微細かつ緻密になり、タンタル合金の塑性および機械的特性が向上しました。製品は緻密な微細構造と微細で均一な結晶粒を有しています。合計3回の焼鈍処理が行われ、各鍛造後の断片化した結晶粒を再結晶化するために真空焼鈍の温度と時間が適切に制御され、各鍛造後の結晶粒構造が均一化されました。作製されたシームレスタンタル合金管は、外径3～38mm、肉厚0.2～5mm、長さ0～12000mm、肉厚公差≤±4%、粒径20～40μm、室温引張強度≥450Mpa、伸び≥25%、優れた室温塑性および良好な耐酸化性を有し、1100℃を超える超高温の過酷な極限環境でも使用可能です。
