一种钽铌合金部件及其制备方法技术

本发明专利技术针对钽铌合金部件的制备难题，通过成分设计、粉末制备工艺、打印工艺优化，制备出了导热性能、综合性能优良钽铌合金部件。通过金属激光增材制造设备，利用自主研发的增材制造工艺，制备的管形样件，样件致密度高，通过特定的高温导热测试，实现在1500℃工作条件下，导热功率≥7kW。导热功率≥7kW。

【技术实现步骤摘要】
一种钽铌合金部件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及钽铌合金领域，更具体的涉及一种钽铌合金部件及其制备方法。
技术背景
[0002]增材制造技术是快速成形技术的一种，它是一种以三维模型为基础，运用金属粉末或者塑料等材料，通过逐层扫描，层层堆垛的方式来构造出立体三维零件的技术。该技术结合了CAD/CAM、光学、数控及材料科学等各类学科，应用领域非常广泛，在珠宝、医疗、鞋类、工业设计、建筑、航空航天、汽车、教育等都有应用前景，常用的金属增材制造设备主要热源分为激光和电子束。
[0003]在材料科学日益发展的现代，对高端金属材料提出了更高的要求，如超高速飞行器、核工业热导零件、高温发动机以及燃气轮机等，为提高工作效率、增加稳定性需要提高工作温度。而钴基、镍基等传统的耐高温合金几乎已达到其性能的极限，难以满足更高温度下的使用需求。而难熔金属及其合金因其具有强度大、熔点高、耐高温氧化等的特点，尤其在1500℃以上的高温环境中仍保持较高的强度和腐蚀抗力等优异性能，使之成为最具潜力的新型高温环境用金属材料，在难熔金属材料当中，钽铌合金作为难度最高，性能最为均衡的材料，在各类高温导热器件中应用需求越来越大，然而在国内目前对此方面的研究还处于起步阶段。
[0004]难熔金属及其合金主要是指钨、钼、钽、铌及其合金材料，熔点在2000℃以上，较好的抗高温氧化性和抗高温腐蚀性，当前研究较多的难熔金属材料一般为钨、钼、钽、铌等单质以及钨合金材料。然而，由于难熔金属材料的高熔点以及高强度，导致在应用中不易被机械加工以及焊接拼合，所以，一直限制着难熔金属材料的实际应用，随着增材制造技术的发展与普及，通过增材制造技术可以实现复杂金属构件的成形加工，为钽铌合金的应用提供了全新的思路，而增材制造技术对原材料性能以及增材工艺参数要求较高。
[0005]由于钽金属是生物相容性较好的材料，常用于人工骨骼、牙齿等人工植入物制造，针对钽铌合金的研究，目前基本集中在医疗行业。专利CN108500281A主要是利用进口等离子球化制备粒径在25
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180μm的钽、铌及钽铌合金球形粉末并用于3D打印制备医疗器械。在此方案中，使用的粉末主要是大粒径的球形粉末，用于电子束增材制造，粉末粒度较大，不能用于激光增材制造技术，电子束增材制造技术成形精度差，部分精细结构无法成形。
[0006]部分厂商采用容易制备的异形粉末进行球形粉末替代。专利CN105855566A 利用破碎、球磨和后期整形的方法，制备出多面体粉末，用于医疗植入物的增材制造。此技术方案在增材制造制备零件时，由于粉末呈多面体状，容易在成形件表面出现空洞、细微裂纹等缺陷，但医用植入物对成形件致密度要求不高，甚至多孔件更适宜细胞附着和生长，而在常规零件制备时，需要零件高致密度且表面平整，因此，该方法并不适用于常规金属激光增材制造。
[0007]如何制备导热性能优异、结构致密的钽铌合金部件一直是本领域的技术难题。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术针对钽铌合金部件的制备难题，通过成分设计优化、粉末制备工艺优化、打印工艺优化，制备出了导热性能、综合性能优良钽铌合金部件。
[0009]本专利技术提供一种钽铌合金部件的制备方法，包含如下步骤：
[0010]步骤1、选用包含质量百分含量为40％
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80％的Ta和质量百分含量为20％
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60％的 Nb，粒径为15
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53微米，球形度≥90％的钽铌合金粉末；
[0011]步骤2、使用激光增材制造的方法制备钽铌合金部件。
[0012]根据本专利技术提供的钽铌合金部件的制备方法，所述激光增材制造使用激光粉末床设备进行部件成形。
[0013]根据本专利技术提供的钽铌合金部件的制备方法，所述激光增材制造优选使用导热性能较好的钛合金基板。
[0014]研究发现，由于钽铌合金增材过程中对温度变化比较敏感，在增材过程中，使用导热性能较好的钛合金基板可有效改善成形部件的性能。当然可以理解的是，钛合金基板仅仅是一种优选的实施方式，本领域技术人员还可以采用其他同样具备类似良好导热性能的基板。
[0015]根据本专利技术提供的钽铌合金部件的制备方法，使用激光增材制造的方法对粉末进行成形加工之前，对基板和粉末进行预热处理。
[0016]研究发现，预热的温度越高，增材制造过程中出现翘边和裂纹的情况越少。
[0017]根据本专利技术提供的钽铌合金部件的制备方法，在一种优选的实施方式中，将粉末及基板预热到200℃以上。可以理解的是，预热温度的上限可以根据设备、增材制造粉末熔点、基板熔点而定，预热温度不能超过设备的承受范围、粉末熔点和基板的熔点。在一种优选的实施方式中，基板预热温度为200℃
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500℃。
[0018]根据本专利技术提供的钽铌合金部件的制备方法，激光增材制造的扫描功率为300W以上。在一种优选的实施方式中，激光增材制造的扫描功率为300W
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360W。
[0019]根据本专利技术提供的钽铌合金部件的制备方法，激光增材制造的扫描速率优选为180
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220mm/min。在一种优选的实施方式中，扫描速率为200mm/min。
[0020]根据本专利技术提供的钽铌合金部件的制备方法，激光增材制造的光斑直径为65
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75μm，扫描间距0.1
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0.2mm。在一种优选的实施方式中，光斑直径为70μm，扫描间距0.15mm。
[0021]通过金属激光增材制造设备，利用自主研发的增材制造工艺，制备所需导热样件，导热工程样件为25mm管形样件，样件致密度高，通过特定的高温导热测试，实现在1500℃工作条件下，导热功率≥7kW。
[0022]本专利技术采用的钽铌合金采用包含质量百分含量为40％
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80％的Ta和质量百分含量为20％
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60％的Nb，粒径为15
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53微米，球形度≥90％的钽铌合金粉末。进一步优选的，选用包含质量百分含量为55％
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65％的Ta和质量百分含量为45％
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35％的Nb。所述球形度的测量方法，GB/T 15445.6
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2014《粒度分析结果表述第6部分：颗粒形状和形态的定性及定量表述》
[0023]由于纯钽成本较高，在实际应用中，考虑成本问题，会在钽中添加一定量的铌作为合金元素，由于钽铌两种元素属于相互无限固溶元素，在保证材料性能满足要求的前提下，提高铌元素的含量可以降低材料成本。但是研究发现，过高的铌含量会严重影响合金产品
的加工性能和综合性能。经过研究发现成分处于 Ta40Nb60
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Ta80Nb20之间，更优选的处于Ta55Nb45
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Ta65N35之间最有利于通过本专利技术的方法制备性能优越的粉末材料。
[0024]所述的Ta40Nb60是指合金的Ta质量分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钽铌合金部件的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：步骤1、选用包含质量百分含量为40％
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80％的Ta和质量百分含量为20％
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60％的Nb，粒径为15
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53微米，球形度≥90％的钽铌合金粉末；步骤2、使用激光增材制造的方法制备钽铌合金部件。2.根据权利要求1所述的钽铌合金部件的制备方法，其特征在于：所述激光增材制造使用激光粉末床设备进行部件成形，并使用钛合金基板。3.根据权利要求1所述的钽铌合金部件的制备方法，其特征在于：使用激光增材制造的方法对粉末进行成形加工之前，对基板和粉末进行预热处理。4.根据权利要求3所述的钽铌合金部件的制备方法，其特征在于：将粉末及基板预热到200℃以上。5.根据权利要求1所述的钽铌合金部件的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓庚，李杜，曹玄扬，周朝辉，
申请(专利权)人：长沙新材料产业研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：