钽钨合金制品及其制备方法与流程

1.本技术属于材料加工技术领域，具体涉及钽钨合金制品及其制备方法，更具体涉及钽钨合金制品的3d打印制备工艺。

背景技术：

2.钽钨合金由于优异的高温性能和耐腐蚀性能在航空航天以及军工领域有深远的应用前景。但是钽钨合金硬度和熔点高，用传统加工方式难度大、材料利用率低、加工周期长、复杂件难以制备。所以研究利用增材制造技术制备钽钨合金材料，推动三代以后航空航天发动机的发展，对我国国防建设具有重要且深远的意义。且针对国内外目前没有关于钽钨合金的增材制造技术的现状，通过研究增材制造技术制造致密、复杂结构的钽钨合金制品，可填补国内外相关技术的空白。

3.相关技术制备钽钨合金制品传统制备工艺有两种：

4.一是铸锭减材加工方法，该方法涉及铸锭

→

锻造

→

轧制

→

切割

→

机加

→

打磨

→

焊接、铆接

→

装配

→

制品；

5.二是粉末冶金加工方法，该方法涉及将钽粉与钨粉一以定比例混合后烧结成型。

6.本领域还需要更好的钽钨合金制品制备工艺。

技术实现要素：

7.发明人发现，针对钽钨合金熔点高，硬度大的特点，常规锻轧工艺、粉末冶金等制备过程复杂、成本高、复杂件无法制备，限制了合金在航空航天及耐腐蚀等领域的广泛应用的问题。

8.本技术通过对3d打印过程中多个参数的调整，开发出适合钽钨合金材料的3d打印工艺，使钽钨合金制品可通过3d打印工艺来制备，解决常规工艺制备钽钨合金制品中存在的问题，降低加工成本，缩短产品的研发周期。

9.本技术以球形钽钨粉为原料，通过激光选区熔化工艺制备，旨在解决以往传统方式加工难度大，复杂件难加工的缺点，开发出适合钽钨合金材料的3d打印工艺，使钽钨合金制品可通过3d打印工艺来制备，解决常规工艺制备钽钨合金制品中存在的问题，降低加工成本，缩短产品的研发周期，生产出满足军工及航天领域耐高温耐腐蚀性能要求的复杂钽钨制品。

10.在第一方面，本技术提供一种钽钨合金制品的制备方法，包括以下步骤：

11.(1)提供球形钽钨合金粉末，所述球形钽钨合金粉末具有以下特征：

12.粒径下限为15～25μm(例如18～22μm，例如20μm)；

13.粒径上限为50～60μm(例如53-58μm，例如55μm)；

14.50g粉末通过标准漏斗的时间5～10s(例如6～8s)；

15.粉末球形度≥0.8(例如≥0.9)；

16.粉末空心粉率≤5％(例如≤3％)；

17.松装密度为9～11g/cm3(例如9.5～10g/cm3)；

18.(2)采用3d打印工艺将球形钽钨合金粉末加工成型，获得打印坯体；

19.(3)对打印坯体进行打印后处理；

20.(4)对上一步产物进行真空热处理；

21.所述真空热处理的温度为1350℃～1750℃(例如1450-1550℃，例如1550-1650℃)，时间为30～90min(例如40-60min，例如60-80min)。

22.在一些实施方案中，钽钨合金中钽的含量为85～95wt％(例如90％)，钨的含量为5～15wt％(例如10％)。

23.在一些实施方案中，所述打印后处理包括以下一项或多项操作：机械加工、表面处理和清洗。

24.在一些实施方案中，3d打印过程中，待打印部件包括：轮廓部分、支撑部分、上表面部分、下表面部分和支撑部分。

25.在一些实施方案中，针对轮廓部分的打印参数包括以下一项或多项：

26.轮廓扫描激光功率190-210w；

27.轮廓扫描速度550-650mm/s；

28.轮廓分区阈值0.01。

29.在一些实施方案中，针对填充部分的打印参数包括以下一项或多项：

30.填充扫描次数1-3次；

31.填充扫描层间旋转角45-67

°

；

32.填充扫描激光功率300-330w；

33.填充扫描速度550-650(mm/s)；

34.填充扫描线间距0.1-0.14mm；

35.条形分区宽度3-10mm；

36.条形分区扫描间距0.1-0.15mm；

37.条形分区间搭接量0.08-0.16mm；

38.条带平移宽度6.10-6.18mm。

39.在一些实施方案中，针对上表面部分的打印参数包括以下一项或多项：

40.上表面扫描次数2-3次；

41.上表面扫描激光功率200-300w；

42.上表面扫描速度450-550mm/s；

43.上表面扫描线间距0.01-0.12mm。

44.在一些实施方案中，针对下表面部分的打印参数包括以下一项或多项：

45.表面扫描次数2-3次；

46.下表面扫描激光功率200-300w；

47.下表面扫描速度450-550mm/s；

48.下表面扫描线间距0.01-0.12mm。

49.在一些实施方案中，针对支撑部分的打印参数包括以下一项或多项：

50.支撑扫描次数1-2次；

51.支撑扫描激光功率200-280w；

52.支撑扫描速度650-750mm/s。

53.在第二方面，本技术提供一种钽钨合金制品，由上述任一项所述的方法制备而得。

54.在一些实施方案中，钽钨合金制品具有以下一项或多项特征：

55.抗拉强度650～850mpa，例如700～800mpa，例如750mpa；

56.屈服强度550～750mpa，例如600～700mpa，例如650mpa；

57.延伸率25％～45％，例如30～40％，例如35％；

58.密度16～17g/cm3，例如16.4～16.9g/cm3。

59.在一些实施方案中，3d打印技术是一种将建立的三维数字化模型通过切片软件进行路径规划，再使用粉末、线材、液体等材料逐层堆积完成三维实体模型制造的技术。作为对传统加工方式的补充，3d打印技术的主要特点是无需开模、材料利用率高，并且可以制造传统加工方式难以加工的复杂结构件，因此在航空航天、工业制造、医学教育等众多领域得到广泛应用。其中，粉末床熔融技术代表工艺有选择性激光烧结(sls)、选择性激光熔融(slm)和电子束熔融(ebm)，定向能量沉积技术代表工艺有激光净成型技术(lens)。选择性激光熔融(slm)也属于粉末床熔融技术的一种，是在sls基础上发展起来的金属3d打印技术。它的成型原理与sls极为相似，不同点在于slm的激光温度较高，能完全熔化所有金属粉末。

60.slm应属于slssls技术起源于1986年，于1988年研制成功了第一台sls成形机。随后，由美国的dtm公司将其商业化，于1992年推出了该工艺的商业化生产设备sinterstation 2000成形机。在过去的20多年里，sls技术在各个领域得到广泛的应用，研究选择性激光烧结设备工艺的单位有美国的dtm公司、3d systems公司、德国的eos公司等；

61.sls选择性激光烧结工艺成型原理如图3所示。sls选择性激光烧结加工的过程先采用压辊6将一层粉末4平铺到已成型工件3的上表面，数控系统1操控激光器2发射激光束5按照该层截面轮廓在粉层上进行扫描照射而使粉末4的温度升至熔化点，从而进行烧结并于下面已成型工件3实现粘合。当一层截面烧结完后工作台将下降一个层厚，这时压辊6又会均匀地在上面铺上一层粉末4并开始新一层截面的烧结，如此反复操作直接工件完全成型。

62.本技术的有益效果：

63.(1)本技术提供一种新的钽钨合金制品的加工工艺：3d打印工艺，以球形钽钨粉为原料，通过激光选区熔化工艺制备，旨在解决以往传统方式加工难度大，复杂件难加工的缺点，开发出适合钽钨合金材料的3d打印工艺，使钽钨合金制品可通过3d打印工艺来制备，解决常规工艺制备钽钨合金制品中存在的问题，降低加工成本，缩短产品的研发周期，生产出满足军工及航天领域耐高温耐腐蚀性能要求的复杂钽钨制品。

64.(2)本技术通过优化原料粉末的物理化学性能，优化3d打印参数，以及在打印后进行特定真空热处理的步骤，获得了力学性能优异的3d打印产品。

附图说明

65.图1是实施例1的球形钽钨合金粉末的放大200倍照片。

66.图2是一些实施方式的钽钨合金制品的照片。

67.图3是一些实施方式的sls选择性激光烧结工艺成型原理图。

具体实施方式

68.现在将详细提及本技术的具体实施方案。尽管结合这些具体的实施方案描述本技术，但应认识到不打算限制本技术到这些具体实施方案。相反，这些实施方案意欲覆盖可包括在由权利要求限定的发明精神和范围内的替代、改变或等价实施方案。在下面的描述中，阐述了大量具体细节以便提供对本技术的全面理解。本技术可在没有部分或全部这些具体细节的情况下被实施。在其它情况下，为了不使本技术不必要地模糊，没有详细描述熟知的工艺操作。

69.当与本说明书和附加权利要求中的“包括”、“方法包括”、或类似语言联合使用时，单数形式“某”、“某个”、“该”包括复数引用，除非上下文另外清楚指明。除非另外定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

70.除非特别说明，本技术实施例所用试验条件为本领域常规试验条件。除非特别说明，本技术实施例所用试剂均为市购。

71.下面概述性地描述本技术的工艺流程

72.打印原料准备

→

建模

→

3d打印

→

后处理

73.以钽钨合金为主，主要流程如下：

74.1.打印原料准备

75.原料选取经电子束熔炼的钽钨合金通过等离子球化形成的低氧球形钽钨粉，粒度分布为15-55微米、球形度高、流动性好。

76.2.建模

77.2.1采用建模软件(如solidworks)建立构建模型。

78.2.2在一些实施方案中，采用3-matic对模型进行轻量化或多孔处理，由于钽钨合金本身密度较高，在对重量有一定要求的情况下可以将零件的一些实体部分转换为多孔结构，能有效减轻零件重量。同时将模型转换为stl模式，基于三角片进行处理，减少逆向工程和传统cad之间的循环反复。

79.2.2采用magics软件对模型进行修复并处理模型细节，分析模型打印的可行性以及是否需要设计支撑。如需要，根据材料特性设计支撑，保证打印过程中不会出现翘起或因为部分悬空无法打印的情况。

80.3.打印

81.3.1用buildstar软件对设计好的模型及支撑进行排版、设置材料包、调整工件参数，完成后进行切片处理，即观察理论情况下模型的打印过程，预测打印时间及需要的装粉量，以保证零件顺利打印。

82.3.2过调控激光光斑大小、激光功率、扫描速度、扫描路径、铺粉层厚等参数，并在不同参数下打印拉伸样、金相样和密度样等样品进行性能检测，并从样品的检测结果中得到最优的打印参数，从而有效控制打印件内部冶金缺陷，使力学性能及高温性能达到指标要求。

83.4.打印后处理

84.用线切割将打印件从基板上切除下来，随后将打印件上的支撑等用工具去除，支撑去除部位要用锉刀处理干净，并将零件整体用喷砂机处理。

85.5.真空热处理

86.采用真空炉对上一步产物进行热处理，真空度为≤7

×

10-3

pa，热处理温度设置为1350℃～1750℃，时间为30～90min。

87.以钽钨合金为例具体测试方案如下：

88.实施例1

89.1.打印原料准备

90.原料粉末为经电子束熔炼获得的钽钨合金(ta＝90wt％，w＝10wt％),该合金通过等离子球化处理形成的低氧含量的球形钽钨合金粉末，粒度分布为22.74μm-50.95μm、球形度高、流动性好。

91.表1：粉末成分表

[0092][0093]

原料粉末的物理性能见下表

[0094]

表2粉末物理性能表

[0095][0096][0097]

*粒度分布检测标准参照gb/t 19077-2016粒度分析激光衍射法

[0098]

*流动性检测标准参照gb/t 1482金属粉末流动性的测定标准漏斗法(霍尔流速计)

[0099]

*球形度检测标准参照ys/t 1297-2019钛及钛合金粉末球形率测定方法

[0100]

*空心粉率检测标准参照金相法测试，镶样抛末观察。

[0101]

*送装密度检测标准参照松装密度采用“gb/t 1479.1-2011金属粉末松装密度的测定第1部分:漏斗法”判定

[0102]

原料粉末的扫描电子显微镜照片如图1所示。如图所示，原料粉末具有较高的球形度。

[0103]

2.建模

[0104]

为了研究适用于钽钨合金粉末的打印参数，采用建模软件建立了拉伸试样的模

型，拉伸试样的尺寸规格执行gb/t 6397-1986《金属拉伸样试验试样》标准。

[0105]

3.钽钨合金打印参数设置

[0106]

参照下表设置了钽钨合金的打印参数。

[0107]

对3d打印参数中的关键性参数说明如下：

[0108]

轮廓参数：激光扫描组成构件表面区域的功率、线条数量，其中包含扫描线条数量(contour std count)为1时，扫描间距为0，扫描线条数量(contour std count)大于1时，间距参数方有效。间距参数在比例参数中设置，轮廓扫描功率(contour std laser power)为激光功率，可分别设置多条不同的轮廓扫描功率和轮廓扫描速度，设置数量取决于扫描线条数量的值。

[0109]

轮廓分区阈值(contour std partition threshold)：区分激光扫描上下表面的临界值，仅对应的contour std partition on/off参数为1时生效。当局部垂悬(overhang)值大于轮廓分区阈值时，该局部的轮廓会被判定为下表面轮廓，轮廓分区阈值由layer thickness和overhang参数共同决定，其值为绝对值。

[0110]

上表面(upskin)、下表面(downskin)参数：根据构件摆放位置，平行于构件成型基板的两个表面，激光扫描1次后该区域不再扫描为上表面，激光扫描次后该区域继续扫描的为下表面，可进行多次扫描以达到构件成型要求。

[0111]

支撑：为了保证构件打印成功，对构件下表面设置的一种结构，辅助下表面扫描成型，分为块状线状、点状、实体、锥形、网状、轮廓、树形等多种结构。

[0112]

填充扫描次数(fill scan count)：激光对构件非轮廓区域进行扫描的次数，相邻两次扫描的方向为相互垂直。

[0113]

填充扫描速度(fill speed)：激光扫描该区域时时的速度。

[0114]

线间距(fill distance)：在同一扫描截面上，相邻两条激光线条之间的距离。

[0115]

填充层间旋转角(fill rotate angle)：激光沿着某一确定的方向扫描完一层后，下一层扫描时会以上一次扫描方向旋转一定的角度进行扫描，两层扫描方向所形成的夹角。

[0116]

条形分区宽度是(stripe width)：激光扫描时每一条激光组合形成一个具有距离的宽度。

[0117]

条形分区扫描间距(stripe fill distance)：固定条带宽度中每一条激光之间的距离。

[0118]

条形分区间搭接量(stripe overlap)：相邻两个条带形成具有一定相交的宽度距离。

[0119]

条带平移宽度(stripe offset)：相邻层之间条带错位平移距离。

[0120]

样品1和样品3按照表3.1的参数进行打印。样品2和样品4按照表3.2的参数进行打印。

[0121]

表3.1：钽钨合金3d打印参数(样品1、3)

[0122][0123]

表3.2：钽钨合金3d打印参数(样品2、4)

[0124]

[0125][0126]

4.打印后处理

[0127]

用线切割将打印件从基板上切除下来，随后将打印件上的支撑等用工具去除，支撑去除部位要用锉刀处理干净，并将零件整体用喷砂机处理。

[0128]

5.真空热处理

[0129]

取上一步制备的拉伸试样产品，编号1～4。

[0130]

对编号1～2的产品不进行真空热处理。

[0131]

对编号3～4的产品进行真空热处理。

[0132]

真空热处理参数如下：采用真空炉对上一步产物进行热处理，真空度为≤7

×

10-3

pa，热处理温度设置为1450℃，保温时间为90min。

[0133]

3.钽钨合金打印产品性能测试

[0134]

采用上述打印方法制备了拉伸试样，编号为1～4；密度和硬度测试样编号为5-10。对拉伸试样进行了力学性能测试，检测方法执行gb/t228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》，密度检测方法执行gb/t3850-2015《致密烧结金属次材料与硬质合金密度测定方法》，硬度检测方法执行gb/t 230.1-2009《金属材料洛氏硬度试验》，结果如下表4和5所示。

[0135]

表4：钽钨合金3d打印样品力学性能

[0136]

编号操作抗拉强度/mpa屈服强度/mpa延伸率1未真空热处理435.8370.40.72未真空热处理476.64381.33真空热处理740.5561.643.34真空热处理746.2629.744.7

[0137]

分析表4可知，经过真空热处理的样品表现出提高的抗拉强度、屈服强度和延伸率。

[0138]

实施例2

[0139]

采用不同打印工艺参数打印的10*10*10mm的密度块，并进行真空热处理，真空热处理参数如下：采用真空炉对上一步产物进行热处理，真空度为≤7

×

10-3

pa，热处理温度设置为1450℃，保温时间为90min。

[0140]

表5：钽钨合金3d打印样品密度结果

[0141][0142]

分析表5可知，不同工艺参数打印的10*10*10mm的密度块，经热处理后密度值不同，其中激光功率330w，扫描速度600mm/s的工艺参数打印的样件密度最高。

[0143]

实施例3

[0144]

参照上文的工艺参数，进一步打印了各类型的产品，它们的照片如图2所示。

[0145]

由以上实施例的描述和论证可知，本技术采用具有特定理化参数的球形钽钨合金粉末制备获得了力学性能改善的钽钨合金打印样品。

[0146]

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本技术的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本技术进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本技术的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本技术技术方案的精神，其均应涵盖在本技术请求保护的技术方案范围当中。技术特征：

1.一种钽钨合金制品的制备方法，包括以下步骤：(1)提供球形钽钨合金粉末，所述球形钽钨合金粉末具有以下特征：粒径下限为15～25μm；粒径上限为50～60μm；50g粉末通过标准漏斗的时间5～10s；粉末球形度≥0.8；粉末空心粉率≤5％；松装密度为9～11g/cm3；(2)采用3d打印工艺将球形钽钨合金粉末加工成型，获得打印坯体；(3)对打印坯体进行打印后处理；(4)对上一步产物进行真空热处理；所述真空热处理的温度为1350℃～1750℃，时间为30～90min。2.根据权利要求1所述的制备方法，其中钽钨合金中钽的含量为85～95wt％，钨的含量为5～15wt％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述打印后处理包括以下一项或多项操作：机械加工、表面处理和清洗。4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，3d打印过程中，待打印部件包括：轮廓部分、支撑部分、上表面部分、下表面部分和支撑部分。5.根据权利要求4所述的方法，其中，针对轮廓部分的打印参数包括以下一项或多项：轮廓扫描激光功率190-210w；轮廓扫描速度550-650mm/s；轮廓分区阈值0.01-0.03(绝对值)。6.根据权利要求4所述的方法，其中，针对填充部分的打印参数包括以下一项或多项：填充扫描次数1-3次；填充扫描层间旋转角45

°?

67

°

；填充扫描激光功率300-330w；填充扫描速度550-650(mm/s)；填充扫描线间距0.1-0.14mm；条形分区宽度3-10mm；条形分区扫描间距0.1-0.15mm；条形分区间搭接量0.08-0.16mm；条带平移宽度6.10-6.18mm。7.根据权利要求4所述的方法，其中，针对上表面部分的打印参数包括以下一项或多项：上表面扫描次数2-3次；上表面扫描激光功率200-300w；上表面扫描速度450-550mm/s；上表面扫描线间距0.01-0.12mm。8.根据权利要求4所述的方法，其中，针对下表面部分的打印参数包括以下一项或多

项：表面扫描次数2-3次；下表面扫描激光功率200-300w；下表面扫描速度450-550mm/s；下表面扫描线间距0.01-0.12mm。9.根据权利要求4所述的方法，其中，针对支撑部分的打印参数包括以下一项或多项：支撑扫描次数1-2次；支撑扫描激光功率200-280w；支撑扫描速度650-750mm/s。10.一种钽钨合金制品，由权利要求1～9任一项所述的方法制备而得。11.根据权利要求10所述的钽钨合金制品，其具有以下一项或多项特征：抗拉强度650～850mpa；屈服强度550～750mpa；延伸率25％～45％；密度16.4～16.9g/cm3。

技术总结

本申请提供一种钽钨合金制品及其制备方法。钽钨合金的制备方法包括以下步骤：(1)提供球形钽钨合金粉末，所述球形钽钨合金粉末具有以下特征：粒径下限为15～25μm；粒径上限为50～60μm；50g粉末通过标准漏斗的时间5～10s；粉末球形度≥0.8；粉末空心粉率≤5％；松装密度为9～11g/cm3；(2)采用3D打印工艺将球形钽钨合金粉末加工成型，获得打印坯体；(3)对打印坯体进行打印后处理；(4)对上一步产物进行真空热处理；所述真空热处理的温度为1350℃～1750℃，时间为30～90min。时间为30～90min。时间为30～90min。

技术研发人员：李小平 李兴钰 张亚军 拓万勇 刘磊 马晶

受保护的技术使用者：宁夏东方智造科技有限公司

技术研发日：2022.07.26

技术公布日：2022/9/26