탁월한 고온 성능: Ta10W 합금은 약 3000°C의 융점을 가지며(순수 탄탈룸 융점 2996°C, 텅스텐 융점 3410°C), 고온에서도 탁월한 크리프 저항성과 구조적 안정성을 유지합니다. 이 합금 와이어는 1600°C 이상의 산화성 또는 불활성 환경에서 장기간 사용할 수 있으며, 항공우주 엔진 노즐 및 고온 센서와 같은 응용 분야에 적합합니다.
탁월한 내식성: 탄탈륨 기반 합금은 산, 알칼리 및 용융 금속에 대해 매우 강한 내성을 나타냅니다. Ta10W 와이어는 진한 염산, 질산 및 왕수에서 안정하며, 고온 용융염(예: 원자력 발전소 냉각 매체)에서의 내식성은 스테인리스강이나 니켈 기반 합금보다 훨씬 우수합니다.
탁월한 기계적 특성: 강도: 텅스텐을 첨가하면 탄탈륨의 강도가 크게 향상되어 상온에서 800~1000MPa의 인장 강도를 달성하고 고온(예: 1200°C)에서도 약 200~300MPa를 유지합니다. 탄탈륨의 가소성은 인발과 같은 가소성 가공을 통해 결정립 미세화를 가능하게 하여 15~25%의 와이어 연신율을 얻을 수 있게 해 주어 높은 강도와 가공성을 동시에 제공합니다. 탄탈륨은 높은 밀도(약 16.6 g/cm³)로 인해 X선 및 감마선 차폐 능력이 뛰어나며 생체 불활성 특성을 지니고 있어 이식형 의료기기(예: 방사성 입자 지지체)에 적합합니다.
분말 야금 공정은 탄탈륨 분말과 텅스텐 분말을 특정 비율로 혼합한 후 → 냉간 등방압 성형 → 진공 소결(2000~2200°C) → 고밀도 빌릿 성형을 거칩니다. 이 공정은 정밀한 조성 제어가 가능하지만 비용이 많이 듭니다. 소성 가공은 블랭크를 만들기 위해 여러 번의 열간 압연(1200~1500°C)을 거친 후 → 와이어로 인발하는 과정을 포함합니다(가공 경화를 제거하기 위해 중간 어닐링이 필요합니다). 최종 와이어 직경은 0.1~5mm에 달할 수 있으며, 산화 저항성을 향상시키기 위해 표면에 전해 연마 또는 코팅 처리가 필요합니다. 산소 및 탄소와 같은 불순물은 가소성을 크게 저하시키므로 불순물 함량이 50ppm 미만이 되도록 전자빔 용융 또는 아크 용융을 통한 정제가 필요합니다.
텅스텐은 높은 융점, 높은 강도, 우수한 내산화성 등의 뛰어난 특성을 지니고 있어 생물학, 전자공학, 핵융합 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 또한 열과 플라즈마 플럭스에 대한 우수한 방사선 차폐 특성으로 인해 미래 핵융합 장치의 플라즈마 지향 부품(PFC)에 사용되는 핵심 전략 소재로 여겨지고 있습니다. 미래 제조 산업에서 소재 성형에 대한 수요가 증가함에 따라 다양한 분야에서 텅스텐 및 그 합금의 복잡한 구조에 대한 요구가 점점 더 커지고 있습니다. 현재 산업 규모의 텅스텐 부품은 일반적으로 분말 야금을 사용하여 제조됩니다. 그러나 텅스텐의 고유한 경도와 취성으로 인해 분말 야금으로는 소형 및 복잡한 형상의 구조 부품을 가공하기 어렵고, 이는 텅스텐의 적용 범위를 제한합니다. 선택적 레이저 용융(SLM)이라고도 하는 레이저 분말 베드 용융(LPBF)은 중요한 금속 적층 제조(AM) 기술입니다. 본 기술은 3차원 모델을 기반으로 하는 금속 분말용 상향식 고속 프로토타이핑 기술입니다. 레이저를 사용하여 금속 분말을 완전히 용융 및 응고시켜 미리 정의된 구조에 따라 거의 완전히 치밀화된 금속 부품을 형성합니다. 이는 미세 용융 풀을 포함하는 비평형 연속 응고 공정입니다.
탄탈륨 카바이드가 균열에 미치는 영향을 더 자세히 분석하기 위해, 본 논문에서는 성형성이 우수하고 기공 결함이 적은 텅스텐-탄탈륨 카바이드 시편과 순수 텅스텐 시편(400W, 300mm/s)을 비교했습니다. 두 시편의 미세 균열 형태 비교는 그림 4에 나타나 있습니다. 상단 및 측면에서 볼 때, 탄탈륨 카바이드를 첨가한 시편의 균열 밀도가 순수 텅스텐에 비해 어느 정도 감소한 것을 알 수 있습니다. 탄탈륨 카바이드 첨가 후 결정립 크기가 현저히 미세화되었고, 다수의 저각 계면이 형성된 것을 확인할 수 있습니다. 텅스텐과 텅스텐-탄탈륨 카바이드의 미세구조에서는 뚜렷한 조직이 관찰되지 않았습니다. 미세 규모에서의 균열 형태를 정확하게 분석하기 위해 고배율 전자현미경을 이용하여 순수 텅스텐과 텅스텐-탄탈륨 카바이드의 미세균열 특성을 서브마이크론 규모에서 비교했습니다. 순수 텅스텐의 균열은 주로 결정립계를 따라 전파되는 것을 확인할 수 있었습니다. 서브마이크론 규모에서는 수많은 나노기공이 관찰되었으며, 이 나노기공들은 결정립계를 따라 전파되어 미세균열로 발전했습니다.
