钽金属增材制造——对于印刷钽的物理化学性质的研究

供稿人:曹晨宇 高琳
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

钽金属拥有优越的耐热性（高于2500℃）、耐蚀性、优异的力学性能以及良好的生物相容性等，因而在传统上被广泛运用于电容器、溅镀靶、医疗、航空、军事等领域。如今各个行业都在寻找增材制造金属部件的物理特性的数据，以预测材料的强度和抗疲劳性。

全球先进金属公司（GAM），作为70年来钽产品生产的领导者，着手研究了粉末床激光熔化（LPBF）技术下氧对激光打印钽部件的影响，对不同条件下的钽粉进行了微观物理性能的研究，并根据ASTM程序进行了测试。

研究人员使用GAM公司生产的商业纯钽粉作为原材料，在等离子体热源中加入角状钽粉，加入氩载体气体以稳定钽粉/等离子体系统，通入氢气以改善钽的热传输等，经过一系列工艺后制得球状钽粉。

图1 原材料角状钽粉以及制备后的球状钽粉

对角状和球状钽粉进行化学性质、流动性和填充的分析。采用电感耦合等离子体质谱法测定粉末中的金属杂质，利用惰性气体熔化法测定气体杂志，并采用场发射扫描电子显微镜对颗粒形貌进行研究，采用霍尔流动和表观密度法测量粉末的流动性和密度。数据结果显示相比于角状钽粉，球状钽粉拥有更好的流动性和包装特性，使得其在LPBF工艺印刷床上表现出更佳的性能。

以球形钽粉为材料制造不同条件下的拉伸钽棒，对拉伸钽棒进行硬度和显微结构的分析。在酸蚀条件下用金相显微镜进行表征，用AMH32软件在测定仪上进行显微硬度测试。分析数据可知，氧杂质对印刷钽件的物理性能有明显的影响，在低氧杂质的情况下，钽件呈现高延展性和高强度。

实验研究表明，采用等离子体热源法对角状钽粉进行球化，在LPBF工艺下优化了粉末的物理性能，使其流动与填充均匀；制得钽棒的热处理改善了其伸长率性能，与此同时强度没有显著降低；将氧杂质的含量降低到百万分之一以下，可以得到与锻造钽类似的钽延伸率。此外，印刷钽的模量可以调整到与骨模量相匹配，粉末性能和打印参数的优化允许其调整打印钽的物理性能，这使其在医疗、航空航天和国防等领域开辟了新的应用。

参考文献：
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.