掃描速率對(duì)激光粉末熔融工藝制備純鉭的微觀組織和力學(xué)性能的影響

供稿人：呂乃昕、高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來源：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打�。┓謺�(huì)

鉭是一種延展性強(qiáng)的高密度耐火材料，具有優(yōu)異的力學(xué)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(diǎn)高，加工過程中與碳、氫、氧的親和力，在傳統(tǒng)制造中還需進(jìn)一步改進(jìn)。

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(diǎn)。選擇性激光熔融（SLM）是增材制造中的一項(xiàng)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(duì)材料粉末按預(yù)定路徑進(jìn)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(duì)精度高等特點(diǎn)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(diǎn)很高，鉭金屬的增材制造工藝已正在逐步實(shí)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(xué)者研究了SLM工藝參數(shù)對(duì)成品表面形貌和力學(xué)性能的影響，成功獲得了相對(duì)密度超過99%、極限抗拉強(qiáng)度706Mpa、斷裂伸長(zhǎng)率超過32%的樣品。工藝參數(shù)對(duì)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(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)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(shí)， 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(xì)化，力學(xué)性能逐漸上升。但當(dāng)掃描速率達(dá)到1000mm/s時(shí)，過高的掃描速度會(huì)導(dǎo)致熔合不足而產(chǎn)生裂紋，純鉭樣件力學(xué)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(xué)性能，抗拉強(qiáng)度達(dá)706 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)33.26%，密度達(dá)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(duì)密度分布和俯視圖光學(xué)形貌

在醫(yī)藥和工業(yè)上相對(duì)密度高、力學(xué)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(jià)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(xué)性能的純鉭提供了重要技術(shù)補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)：
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