掃描速率對激光粉末熔融工藝制備純鉭的微觀組織和力學性能的影響

供稿人：呂乃昕、高琳 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術(shù)（3D打�。┓謺�

鉭是一種延展性強的高密度耐火材料，具有優(yōu)異的力學性能和生化性能，如硬度高，韌性好，耐腐蝕性，高溫穩(wěn)定性，生物相容性好等。鉭在航空航天、電氣、化工、醫(yī)療等行業(yè)廣受歡迎。但由于其熔點高，加工過程中與碳、氫、氧的親和力，在傳統(tǒng)制造中還需進一步改進。

與傳統(tǒng)減材制造不同，增材制造通常具有節(jié)省原料，可加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)等優(yōu)點。選擇性激光熔融（SLM）是增材制造中的一項重要技術(shù)，近年來發(fā)展迅速。它以激光為能量源，用激光光斑對材料粉末按預(yù)定路徑進行掃描，粉末熔化形成熔跡，然后通過層層疊加形成零件。該工藝具有成形精度高、柔性好、相對精度高等特點樣品的密度。隨著SLM技術(shù)的發(fā)展，即使純鉭及其合金的熔點很高，鉭金屬的增材制造工藝已正在逐步實現(xiàn)。

為了提高SLM制備純鉭的性能，滿足其在醫(yī)藥和工業(yè)上的應(yīng)用需求，有學者研究了SLM工藝參數(shù)對成品表面形貌和力學性能的影響，成功獲得了相對密度超過99%、極限抗拉強度706Mpa、斷裂伸長率超過32%的樣品。工藝參數(shù)對顯微組織有顯著影響。根據(jù)拉伸斷口形貌顯示，在較低的能量密度下樣品容易產(chǎn)生裂紋，在較高的能量密度下，又容易產(chǎn)生鎖孔誘導(dǎo)氣孔等缺陷。

有實驗證明，當采用正交掃描策略，激光功率為300W，鋪粉層厚為0.025mm，掃面間距為0.07mm時， 隨著掃描速度在400-800mm/s的區(qū)間內(nèi)增加，柱狀晶粒逐漸細化，力學性能逐漸上升。但當掃描速率達到1000mm/s時，過高的掃描速度會導(dǎo)致熔合不足而產(chǎn)生裂紋，純鉭樣件力學性能下降。不同掃描速率成形出的樣件的微觀形貌如圖1所示。最終得出，在800 mm/ s的掃描速度下，試樣具有優(yōu)異的力學性能，抗拉強度達706 MPa，斷裂伸長率達33.26%，密度達99.4%，平均硬度為251.6 HV。

圖1 拋光后不同能量密度樣品的相對密度分布和俯視圖光學形貌

在醫(yī)藥和工業(yè)上相對密度高、力學性能好的純鉭具有廣泛的應(yīng)用前景，因而相匹配的增材制造工藝參數(shù)具有寶貴的價值。本文介紹的在層間正交掃描策略下的SLM工藝參數(shù)為增材制造成形出更優(yōu)力學性能的純鉭提供了重要技術(shù)補充。

參考文獻：
Changhui Song, Zhengtai Deng, Zhuang Zou, Lisha Liu, Kuixue Xu, Yongqiang Yang,Pure tantalum manufactured by laser powder bed fusion: Influence of scanning speed on the evolution of microstructure and mechanical properties,International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,Volume 107,2022,105882,ISSN 0263-4368,https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0263436822001068