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医用钽新材料：光固化增材制造与金属注射成形工艺初探
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钽作为一种高性能难熔金属，在生物医用领域拥有巨大应用潜力。钽生物相容性优异、耐腐蚀、射线显影效果好，是骨科植入物、介入医疗器械的理想候选材料。但钽熔点高、化学活性强，极易和氧、氮、碳、氢发生反应，给零部件成形制造带来巨大挑战。 传统粉末冶金大多依靠模压方式制备生坯，零件设计自由度受限。金属注射成形（MIM）、光刻金属制造（LMM，光固化增材制造）能够实现复杂形状钽构件制备，但仍面临脱脂、烧结、元素污染等一系列技术难题。本文就两种无应力钽粉末成形工艺开展初步试验研究。 1实验部分 本研究采用纯钽粉末开展试验。粉末呈球形，平均粒径 24 μm，粉末详细成分与粒度参数见表 1。表 1 钽粉末技术指标。 分别制备增材制造（AM）与金属注射成形（MIM）喂料： 1. 光刻金属制造LMM（Incus Hammer Lab35设备）：55 vol%钽粉末混合45 vol%光敏聚合物； 2. MIM 喂料：65 vol%钽粉末搭配35 vol% 聚甲醛基粘结剂。 该固相装载比例参考本团队钨合金等重金属研究经验。为尽量消除不同工艺热历史差异，本研究选用基于烧结的增材制造方案。 试样规格：增材制造制备5mm立方体生坯；MIM 采用手工压注得到φ10mm、厚度2mm圆盘生坯。 脱脂在VHSgr40/40/150M真空炉完成；烧结分别使用氢气气氛炉与高温真空炉。 图 1 钽粉末扫描电镜 (SEM) 形貌图。 2试验结果 扫描电镜观察钽粉末形貌，粉末整体呈球形，几乎没有不规则颗粒；部分颗粒表面观察到轻微颜色变化，EDX 能谱检测仅检出钽、氧两种元素。 表 2 增材制造打印参数。 按照表 2 参数完成增材制造打印，同时制备 MIM 生坯。虽然钽粉末密度很高，存在沉降风险，但通过工艺参数优化，两种工艺均成功制备合格生坯，未出现明显粉末沉降问题。 生坯进行热脱脂处理，目标分解 50‑60% 粘结剂；预留部分粘结剂，方便后续转运至氢气烧结炉。 烧结试验采用多腔氢气气氛炉，设备可快速升温，适配液相烧结减变形需求，设定烧结温度 1390 ℃。 但初步烧结试验失败：试样结构完全坍塌，没有实现有效烧结。 3分析讨论 两种工艺均可成功制备钽生坯件 LMM光固化增材制造、MIM金属注射成形都能够制备钽生坯。钽粉末密度大，工艺上需要警惕喂料沉降，本研究通过参数优化，得到质量合格的生坯试样。 1390 ℃下烧结失败的关键原因分析 1. 粉末粒径偏大，扩散驱动力不足 本试验钽粉 D50=24 μm。对比文献：LENS 工艺使用 45‑75 μm 钽粉；而钨两步烧结采用 500 nm 超细粉末。固态扩散烧结想要在 1300‑1400 ℃区间激活原子扩散，需要使用粒度更细的粉末。细粉末可以降低扩散激活温度，避免坯体高温坍塌变形。 2. 粘结剂分解温度与钽扩散启动温度差距过大 脱脂完成后，温度还未达到钽原子扩散启动温度，坯体缺少烧结颈支撑，坯体强度不足，升温过程直接坍塌。 未来可以参考近年公开的钽热物理性能数据，重新设计脱脂‑烧结完整热工艺曲线。 4、研究小结 本研究完成纯钽的前期工艺开发，成功利用光刻金属增材制造（LMM）与金属注射成形（MIM）两种工艺制备得到钽生坯零件。 初步烧结试验发生试样坍塌，后续烧结性能数据有待进一步试验补充，将在后续公开报道。    |
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