鉭金屬增材制造——對(duì)于印刷鉭的物理化學(xué)性質(zhì)的研究

供稿人:曹晨宇 高琳
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

鉭金屬擁有優(yōu)越的耐熱性（高于2500℃）、耐蝕性、優(yōu)異的力學(xué)性能以及良好的生物相容性等，因而在傳統(tǒng)上被廣泛運(yùn)用于電容器、濺鍍靶、醫(yī)療、航空、軍事等領(lǐng)域。如今各個(gè)行業(yè)都在尋找增材制造金屬部件的物理特性的數(shù)據(jù)，以預(yù)測(cè)材料的強(qiáng)度和抗疲勞性。

全球先進(jìn)金屬公司（GAM），作為70年來鉭產(chǎn)品生產(chǎn)的領(lǐng)導(dǎo)者，著手研究了粉末床激光熔化（LPBF）技術(shù)下氧對(duì)激光打印鉭部件的影響，對(duì)不同條件下的鉭粉進(jìn)行了微觀物理性能的研究，并根據(jù)ASTM程序進(jìn)行了測(cè)試。

研究人員使用GAM公司生產(chǎn)的商業(yè)純鉭粉作為原材料，在等離子體熱源中加入角狀鉭粉，加入氬載體氣體以穩(wěn)定鉭粉/等離子體系統(tǒng)，通入氫氣以改善鉭的熱傳輸?shù)龋��?jīng)過一系列工藝后制得球狀鉭粉。

圖1 原材料角狀鉭粉以及制備后的球狀鉭粉

對(duì)角狀和球狀鉭粉進(jìn)行化學(xué)性質(zhì)、流動(dòng)性和填充的分析。采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定粉末中的金屬雜質(zhì)，利用惰性氣體熔化法測(cè)定氣體雜志，并采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)顆粒形貌進(jìn)行研究，采用霍爾流動(dòng)和表觀密度法測(cè)量粉末的流動(dòng)性和密度。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示相比于角狀鉭粉，球狀鉭粉擁有更好的流動(dòng)性和包裝特性，使得其在LPBF工藝印刷床上表現(xiàn)出更佳的性能。

以球形鉭粉為材料制造不同條件下的拉伸鉭棒，對(duì)拉伸鉭棒進(jìn)行硬度和顯微結(jié)構(gòu)的分析。在酸蝕條件下用金相顯微鏡進(jìn)行表征，用AMH32軟件在測(cè)定儀上進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。分析數(shù)據(jù)可知，氧雜質(zhì)對(duì)印刷鉭件的物理性能有明顯的影響，在低氧雜質(zhì)的情況下，鉭件呈現(xiàn)高延展性和高強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)研究表明，采用等離子體熱源法對(duì)角狀鉭粉進(jìn)行球化，在LPBF工藝下優(yōu)化了粉末的物理性能，使其流動(dòng)與填充均勻；制得鉭棒的熱處理改善了其伸長(zhǎng)率性能，與此同時(shí)強(qiáng)度沒有顯著降低；將氧雜質(zhì)的含量降低到百萬分之一以下，可以得到與鍛造鉭類似的鉭延伸率。此外，印刷鉭的模量可以調(diào)整到與骨模量相匹配，粉末性能和打印參數(shù)的優(yōu)化允許其調(diào)整打印鉭的物理性能，這使其在醫(yī)療、航空航天和國(guó)防等領(lǐng)域開辟了新的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：
Craig Sungail , Aamir D.Abid. Additive manufacturing of tantalum – A study of chemical and physical properties of printed tantalum[J].Metal Powder Report,January–February 2020,75(1):28-33.