タンタルおよびタンタル合金は、高密度、耐食性、優れた高温強度、良好な被削性、低い延性-脆性遷移温度など、優れた特性を有しています。これらは主に高温構造材料や耐食材料として使用され、航空宇宙産業や化学産業で幅広く応用されています。タンタルおよびタンタル合金は、粉末冶金法または製錬法と従来の機械加工法を組み合わせることで部品に成形されます。
今日の急速に発展する材料科学において、先進的な金属材料に対する要求はますます高まっています。極超音速航空機、原子力産業における熱伝導部品、高温エンジン、ガスタービンなどの用途では、効率と安定性を向上させるために、より高い動作温度が求められています。しかし、コバルト基合金やニッケル基合金といった従来の高温合金は、性能限界にほぼ達しており、より高温の用途に対する要求を満たすには不十分です。耐火金属とその合金は、高強度、高融点、高温酸化耐性などの特性を持ち、特に1500℃を超える高温環境下でも高い強度と耐食性を維持します。そのため、最も有望な高温環境用金属材料として注目されています。耐火金属材料の中でも、タンタル-ニオブ合金は、製造が最も困難であるにもかかわらず、最もバランスの取れた性能を備えているため、様々な高温熱伝導機器への需要が高まっています。しかしながら、中国におけるこの分野の研究はまだ初期段階にあります。
耐火金属とその合金とは、主にタングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ、およびそれらの合金を指します。これらは2000℃を超える融点を持ち、高温酸化および腐食に対して優れた耐性を有しています。現在、最も研究されている耐火金属材料は、一般的にタングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ、およびタングステン合金です。しかし、耐火金属は融点と強度が高いため、機械加工や溶接が難しく、実用化が制限されています。積層造形技術の開発と普及に伴い、複雑な金属部品の成形が可能になり、タンタル・ニオブ合金の応用において新たなアプローチが提供されています。ただし、積層造形技術は、原材料の特性と積層プロセスパラメータに対して高い要求を課します。
タンタル・ニオブ合金は積層造形中の温度変化に敏感であるため、熱伝導率の高いチタン合金基板を使用することで、成形部品の性能を効果的に向上させることができます。なお、チタン合金基板は好ましい実施形態の一つに過ぎません。当業者であれば、同様に良好な熱伝導性を有する他の基板を用いることができる。
タンタル・ニオブ合金部品の製造方法によれば、レーザー積層造形を用いて粉末を成形する前に、基板と粉末を予熱する。研究により、予熱温度が高いほど、積層造形中の反りや亀裂の発生が少なくなることが分かっている。タンタル・ニオブ合金部品の製造方法の好ましい実施形態では、粉末と基板を200℃以上に予熱する。予熱温度の上限は、装置、積層造形用粉末の融点、および基板の融点に基づいて決定できることは理解される。予熱温度は、装置の許容範囲、粉末の融点、または基板の融点を超えてはならない。好ましい実施形態では、基板の予熱温度は200℃～500℃である。レーザー積層造形の走査出力は300W以上である。好ましい実施形態では、レーザー積層造形の走査出力は300W～360Wである。
純タンタルは高価であるため、実用上、コスト面を考慮して、タンタルに一定量のニオブを合金元素として添加する。タンタルとニオブは互いに無限溶解性を持つ元素であるため、ニオブ含有量を増やすことで材料コストを削減しつつ、材料性能を要求仕様に適合させることができる。しかしながら、ニオブ含有量が過剰になると、合金製品の加工性および総合性能に深刻な影響を与えることが研究で明らかになっている。本発明の方法を用いて高性能粉末材料を製造する場合、組成比はTa40Nb60～Ta80Nb20、より好ましくはTa55Nb45～Ta65N35が最も有利であることが研究で示されている。
タンタルとニオブは融点が高いため、タンタル-ニオブ合金粉末の製造方法としては、好ましくはアーク溶解法または電子ビーム溶解法を用いて合金インゴットを溶解し、タンタル-ニオブ合金インゴットを製造する方法が挙げられる。これらのインゴットは、その後、水素化処理に供される。タンタル・ニオブ合金粉末製造方法における水素化処理は、加圧加熱によって得られる高温水素雰囲気を用いてインゴットを水素化する工程を含む。
タンタル・ニオブ合金粉末製造方法における高温水素雰囲気とは、300℃以上の温度の水素雰囲気を指す。より好ましくは、340℃以上の温度の水素雰囲気を指す。目的はタンタル・ニオブ合金を水素化することにあるが、水素化粉砕装置の要件によっては、高温低圧法を用いても水素化粉砕を行うことができる。タンタル・ニオブ合金粉末の製造方法のステップ2では、まず物理的粉砕によって水素化タンタル・ニオブ合金粉末を粉砕し、続いてフローミルを用いてさらに粉砕することが好ましい。
ステップ2におけるタンタル・ニオブ合金粉末の製造方法では、粒径が10～60マイクロメートルのタンタル・ニオブ合金粉末が得られる。水素化タンタル・ニオブ合金粉末のプラズマ処理は、原料粉末を直流プラズマ球状化装置に供給することによって行われる。供給速度と供給管の長さを調整することにより、水素化粉末は高温直流プラズマを用いて脱水素化および球状化される。その後、粉末は再溶解され、溶融物の表面張力によって球状に凝固する。プラズマ処理は、直流層状プラズマ球状化と高圧ガス急冷を組み合わせたものである。高温プラズマと室温不活性ガス冷却を組み合わせることで、粉末の球状化率を最大化すると同時に、蒸発時に生成されるナノ粒子を低減し、製品の品質を向上させることができる。
