Порошок сплава тантала и ниобия
Для удовлетворения требований лазерного аддитивного производства, благодаря оптимизированному составу и процессам получения, а также органичному сочетанию обработки гидрированием и технологии плазменной сфероидизации, был получен сферический сплав тантала и ниобия с массовой долей 40–80% Ta и 20–60% Nb, в результате чего был получен сферический порошок сплава тантала и ниобия со сферичностью ≥90%, отвечающий требованиям лазерного аддитивного производства.
Аддитивное производство — это технология быстрого прототипирования. Это технология, которая использует трехмерную модель в качестве основы и применяет такие материалы, как металлический порошок или пластик, для создания трехмерных деталей путем сканирования и послойного наложения. Эта технология объединяет различные дисциплины, такие как CAD/CAM, оптика, ЧПУ и материаловедение, и имеет широкий спектр применения, включая ювелирное дело, медицину, обувь, промышленный дизайн, архитектуру, аэрокосмическую отрасль, автомобилестроение и образование. В широко используемом оборудовании для аддитивного производства металлов в качестве источников тепла в основном применяются лазеры и электронные пучки.
В современную эпоху быстрого развития материаловедения к передовым металлическим материалам предъявляются все более высокие требования. Такие области применения, как гиперзвуковые летательные аппараты, теплопроводящие компоненты в атомной промышленности, высокотемпературные двигатели и газовые турбины, требуют более высоких рабочих температур для повышения эффективности и стабильности. Однако традиционные высокотемпературные сплавы, такие как сплавы на основе кобальта и никеля, практически достигли предела своих возможностей и недостаточны для удовлетворения требований более высоких температур. Тугоплавкие металлы и их сплавы, благодаря своей высокой прочности, высокой температуре плавления и устойчивости к высокотемпературному окислению, особенно сохраняя высокую прочность и коррозионную стойкость в средах выше 1500℃, стали наиболее перспективными новыми металлическими материалами для высокотемпературных сред. Среди тугоплавких металлов сплавы тантала и ниобия, будучи наиболее сложными в производстве и обладающими наиболее сбалансированными характеристиками, все чаще востребованы для различных высокотемпературных теплопроводящих устройств. Однако исследования в этой области в Китае все еще находятся на ранней стадии.
К тугоплавким металлам и их сплавам в основном относятся вольфрам, молибден, тантал, ниобий и их сплавы. Они имеют температуру плавления выше 2000℃ и обладают хорошей устойчивостью к высокотемпературному окислению и коррозии. В настоящее время наиболее исследованными тугоплавкими металлами являются, как правило, элементарный вольфрам, молибден, тантал, ниобий и сплавы вольфрама. Однако высокая температура плавления и прочность тугоплавких металлов затрудняют их механическую обработку и сварку, что ограничивает их практическое применение. С развитием и распространением аддитивных технологий стало возможным изготовление сложных металлических компонентов, что открывает новые возможности для применения сплавов тантала и ниобия. Однако аддитивные технологии предъявляют высокие требования к свойствам сырья и параметрам процесса аддитивного производства.
Тантал — биосовместимый материал, часто используемый в производстве искусственных костей, зубов и других имплантатов. Исследования сплавов тантала и ниобия в настоящее время в основном сосредоточены на медицинской промышленности. В патенте CN108500281A в основном используется импортная технология плазменной сфероидизации для получения сферических порошков тантала, ниобия и сплавов тантала и ниобия с размером частиц 25-180 мкм для 3D-печати медицинских изделий. В этой схеме используется преимущественно крупнодисперсный сферический порошок для аддитивного производства с помощью электронного пучка. Большой размер частиц порошка делает его непригодным для лазерной аддитивной технологии, а технология аддитивного производства с помощью электронного пучка имеет низкую точность формования, что делает невозможным формирование некоторых тонких структур.
В связи с этим, данное изобретение, отвечающее потребностям лазерного аддитивного производства, оптимизирует состав и процесс приготовления для получения сферического порошка сплава тантала и ниобия со сферичностью ≥90%. Это соответствует требованиям лазерного аддитивного производства.
Данное изобретение предлагает порошок сплава тантала и ниобия, содержащий 40–80% тантала и 20–60% ниобия по массе, с размером частиц 15–53 микрометра. В соответствии с требованиями к традиционному оборудованию для аддитивного производства металлов, размер частиц порошка составляет D10 = 12–17 мкм, D50 = 30–35 мкм, D90 = 50–55 мкм, а сферичность ≥90%.
Предпочтительно, чтобы порошок сплава тантала и ниобия, предлагаемый в данном изобретении, содержал 55–65% тантала по массе и 45–35% ниобия по массе.
Поскольку чистый тантал дорог, в практических применениях для снижения затрат добавляется определенное количество ниобия в качестве легирующего элемента. Поскольку тантал и ниобий обладают бесконечной растворимостью, увеличение содержания ниобия позволяет снизить стоимость материала, обеспечивая при этом соответствие характеристик материала требуемым параметрам. Однако исследования показали, что чрезмерно высокое содержание ниобия может серьезно повлиять на технологические характеристики и общие свойства сплава.