激光增材制造技術(shù)從原理上突破了傳統(tǒng)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造模式，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀金剛石工具精密成形。然而，在激光增材制造過程中，金剛石極易受到激光直接輻照和熔池瞬時(shí)高溫的影響而造成熱損傷。因此，金剛石的熱損傷控制是激光增材制造能否廣泛應(yīng)用于金剛石超硬復(fù)合材料制備的先決條件和關(guān)鍵因素。

       中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、河南黃河旋風(fēng)股份有限公司等單位的學(xué)者對(duì)于激光粉末床熔融增材制造金屬基金剛石復(fù)合材料中的金剛石磨粒熱演化和石墨化進(jìn)行了研究。相關(guān)成果發(fā)表在國際著名期刊Virtual and Physical Prototyping 上。

      相關(guān)研究論文鏈接：

      https://doi.org/10.1080/17452759.2022.2121224

      該論文共同第一作者為馬青原、彭英博，第一完成單位為中南大學(xué)，通訊作者為中南大學(xué)張偉副研究員。

       研究背景

       超硬工具制品在硬、脆等難加工材料的精密、高效、節(jié)能制造等方面具有不可替代的作用。金剛石作為最硬的材料，其工具制品（包括鉆具、刀具和磨具），占超硬工具的總量80%以上。我國合成金剛石顆?？偖a(chǎn)量占世界的95%以上，原料品質(zhì)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。然而，我國高端金剛石工具制品仍然不能完全滿足高精密、長壽命等加工要求。

       當(dāng)前金剛石復(fù)合材料領(lǐng)域的主要技術(shù)瓶頸在于：工具制品結(jié)構(gòu)-功能一體化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)亟待提升，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形狀較簡單、加工效率低，缺少如多孔體、內(nèi)流道等復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)，金剛石磨粒有序排布、材料成分梯度分布等特殊微結(jié)構(gòu)，以提升容屑、冷卻、緩解應(yīng)力的功能。結(jié)構(gòu)-功能一體化是提高金剛石工具加工性能的重大發(fā)展方向。增材制造技術(shù)從原理上突破了傳統(tǒng)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造模式，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀金剛石工具精密成形。加強(qiáng)高性能金剛石工具制品增材制造技術(shù)的研發(fā)，推動(dòng)金剛石行業(yè)技術(shù)升級(jí)和結(jié)構(gòu)調(diào)整，是支撐國家發(fā)展戰(zhàn)略順利實(shí)施的重大任務(wù)。

       激光增材制造技術(shù)是增材制造技術(shù)中最具代表性的一類，在增材制造技術(shù)領(lǐng)域扮演著重要的角色。近年來，國內(nèi)外學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)圍繞金屬基金剛石復(fù)合材料激光增材制造方向開展了較為豐富的探索性研究工作，并取得了一系列成果。

       目前的研究熱點(diǎn)主要圍繞內(nèi)結(jié)構(gòu)成形、工藝參數(shù)優(yōu)化、界面組織結(jié)構(gòu)演化以及基礎(chǔ)力學(xué)性能評(píng)價(jià)等方面展開。然而，在激光增材制造過程中，金剛石極易受到激光直接輻照和熔池瞬時(shí)高溫的影響而造成熱損傷。因此，金剛石的熱損傷控制是激光增材制造能否廣泛應(yīng)用于金剛石超硬復(fù)合材料制備的先決條件和關(guān)鍵因素。有部分研究表明，激光增材制造會(huì)導(dǎo)致金剛石出現(xiàn)熱損傷，主要形式為金剛石磨粒表面的石墨化轉(zhuǎn)變。過度的石墨化轉(zhuǎn)變將嚴(yán)重影響金剛石顆粒強(qiáng)度及復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。但是截止目前，金剛石磨粒在激光增材制造中的熱演化過程，以及誘導(dǎo)金剛石表面石墨化轉(zhuǎn)變的主要原因與機(jī)理卻鮮有報(bào)道。

       基于以上背景，中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、河南黃河旋風(fēng)股份有限公司等單位的學(xué)者，圍繞高能激光束和高溫熔池兩個(gè)影響打印過程中金剛石石墨化行為的關(guān)鍵因素，選取典型的金剛石工具用金屬結(jié)合劑CuSn10粉末，采用粉末床熔融（Powder bed fusion- laser beam，PBF-LB）技術(shù)制備了CuSn10-金剛石復(fù)合材料。該研究團(tuán)隊(duì)利用ANSYS有限元模擬軟件，首次重現(xiàn)了PBF-LB過程金剛石磨粒的熱演化過程，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該過程中石墨化轉(zhuǎn)變的溫度閾值，建了“PBF-LB工藝-磨粒溫度-石墨化程度-力學(xué)性能”的定量關(guān)系模型，該研究為金屬基金剛石復(fù)合材料的激光增材制造工藝設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性預(yù)測(cè)提供了一個(gè)很好的策略和路徑。

       研究亮點(diǎn)

       該研究團(tuán)隊(duì)所開展的工作包括以下幾個(gè)研究亮點(diǎn)：

       以單顆金剛石磨粒為研究對(duì)象，通過有限元模擬分析構(gòu)建了金剛石磨粒的溫度場(chǎng)模型，反映了金剛石磨粒在PBF-LB中的熱演化過程。

       闡明了PBF-LB過程金剛石的熱損傷機(jī)制，金剛石發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變并非是由激光的直接輻照造成的，而是由高溫熔池的熱影響導(dǎo)致。

       建立了“PBF-LB工藝-金剛石磨粒溫度-石墨化程度-摩擦磨損性能”的定量關(guān)系。

       圖文導(dǎo)讀

圖1. 金剛石顆粒的溫度場(chǎng)分布狀態(tài)

圖2. 不同工藝下金剛石顆粒的最高溫度-時(shí)間變化曲線

圖3. 不同溫度下金剛石顆粒微觀結(jié)構(gòu)：無石墨化、輕微石墨化和嚴(yán)重石墨化區(qū)域分別對(duì)應(yīng)紫色區(qū)域1、綠色區(qū)域2和紅色區(qū)域3

圖4. 不同溫度下復(fù)合材料界面元素?cái)U(kuò)散特征：(a)1242.1℃；(b)1539.4℃；(c)1891.1℃

圖5. PBF-LB制備CuSn10-金剛石復(fù)合材料示意圖：(a)混合粉末床；(b)激光直接輻照金剛石；(c)高溫熔池接觸金剛石

       研究結(jié)論

       在金剛石超硬復(fù)合材料的激光增材制造中，金剛石和粉末材料參數(shù)以及激光工藝參數(shù)是影響其成形質(zhì)量的主要因素。金剛石具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，它會(huì)改變合金熔體的局部導(dǎo)熱能力和溫度分布，從而影響熔池形態(tài)、金剛石附近的微觀組織和成形質(zhì)量。此外，由于金剛石高溫?zé)岱€(wěn)定性較差，當(dāng)與高溫熔池接觸時(shí)，容易發(fā)生氧化、石墨化、化學(xué)侵蝕等熱損傷。因此，建立一個(gè)定量關(guān)系來準(zhǔn)確評(píng)價(jià)金剛石磨料的熱損傷行為及其相關(guān)的微觀組織-性能特征，為工藝參數(shù)與成形之間的關(guān)系提供基礎(chǔ)支撐，是極其重要的。

       研究發(fā)現(xiàn)：(1)熔池移動(dòng)進(jìn)程中金剛石磨粒溫度呈現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)金剛石磨粒與熔池部分接觸和完全浸入熔池時(shí)刻。此外，不能簡單地基于激光能量密度來評(píng)價(jià)金剛石狀態(tài)，激光能量密度與熔池（金剛石磨粒）溫度并非呈線性關(guān)系。(2)PBF-LB激光能量輸入遠(yuǎn)小于金剛石石墨化的理論燒蝕閾值，因此金剛石石墨化不是激光直接照射引起的，而是高溫熔池的熱效應(yīng)所致。CuSn10 -金剛石復(fù)合材料在PBF-LB過程中石墨化的臨界溫度為1491.6℃。(3)復(fù)合材料的磨損性能隨石墨化程度的增加而降低，摩擦系數(shù)由0.62增加到0.75，磨損深度由97.16μm增加到118.29μm。磨損機(jī)理隨石墨化程度的增加呈現(xiàn)磨粒磨損→粘著磨損/磨粒磨損→三體磨損/粘著磨損的顯著變化。

       展望與未來

       增材制造技術(shù)從原理上突破了傳統(tǒng)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造模式，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀金剛石工具制品精密成形。通過增材制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀金剛石制品的制備和高性能化，有效解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)金剛石超硬材料制品效率低、精度差、服役壽命短、加工難度大的難題，大幅提升金剛石復(fù)合材料工具制造對(duì)重大加工需求的靈活設(shè)計(jì)、快速反應(yīng)和生產(chǎn)能力，降低研發(fā)成本，縮短制造流程和周期，提高產(chǎn)品服役性能，從而加快改變我國高端金剛石超硬制品長期依賴進(jìn)口的被動(dòng)局面，提升我國高性能金剛石制品的研發(fā)能力，支撐高端制造業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，解決國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的重要需求。

       上述研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項(xiàng)目、湖南省自然科學(xué)基金的支持。據(jù)悉，論文作者團(tuán)隊(duì)主要來自中南大學(xué)劉詠教授課題組和黃河旋風(fēng)股份有限公司研發(fā)中心。

       近年來，合作雙方致力于超硬復(fù)合材料領(lǐng)域高熵合金粘結(jié)相材料及異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)韌化調(diào)控、新型增材制造及涂層技術(shù)的研發(fā)，在國內(nèi)外權(quán)威期刊已發(fā)表多項(xiàng)成果：

【DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2019.105109】；

【DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.157023】；

【DOI: 10.1016/j.matdes.2022.110522】。