鉭金屬增材制造——對于印刷鉭的物理化學性質的研究

供稿人:曹晨宇 高琳
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

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

全球先進金屬公司（GAM），作為70年來鉭產(chǎn)品生產(chǎn)的領導者，著手研究了粉末床激光熔化（LPBF）技術下氧對激光打印鉭部件的影響，對不同條件下的鉭粉進行了微觀物理性能的研究，并根據(jù)ASTM程序進行了測試。

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

對角狀和球狀鉭粉進行化學性質、流動性和填充的分析。采用電感耦合等離子體質譜法測定粉末中的金屬雜質，利用惰性氣體熔化法測定氣體雜志，并采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對顆粒形貌進行研究，采用霍爾流動和表觀密度法測量粉末的流動性和密度。數(shù)據(jù)結果顯示相比于角狀鉭粉，球狀鉭粉擁有更好的流動性和包裝特性，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，對拉伸鉭棒進行硬度和顯微結構的分析。在酸蝕條件下用金相顯微鏡進行表征，用AMH32軟件在測定儀上進行顯微硬度測試。分析數(shù)據(jù)可知，氧雜質對印刷鉭件的物理性能有明顯的影響，在低氧雜質的情況下，鉭件呈現(xiàn)高延展性和高強度。

實驗研究表明，采用等離子體熱源法對角狀鉭粉進行球化，在LPBF工藝下優(yōu)化了粉末的物理性能，使其流動與填充均勻；制得鉭棒的熱處理改善了其伸長率性能，與此同時強度沒有顯著降低；將氧雜質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)化允許其調整打印鉭的物理性能，這使其在醫(yī)療、航空航天和國防等領域開辟了新的應用。

參考文獻：
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.