山東大學(xué)機(jī)械工程系的研究人員在International Journal of Refractory Metals and Hard Materials上發(fā)表題為The effect of diamond grain size on the formability and mechanical property of 3D-printed diamond tool的研究論文。主要研究了金剛石粒度對3D打印金屬結(jié)合劑金剛石工具成形性和力學(xué)性能的影響。研究利用選區(qū)激光熔化工藝制備了金屬結(jié)合劑金剛石工具，其中金屬粉末為AlSi10Mg粉末和金剛石粉末的混合物。實驗結(jié)果表明，當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)相同時，隨著金剛石粒度減小，缺陷增加，相對密度和主要力學(xué)性能下降。此外，可以制備出金剛石磨料分布均勻、嵌入牢固的3D打印金剛石工具，其力學(xué)性能能夠滿足金剛石工具的要求。

       制造業(yè)的發(fā)展依賴于制造工具的進(jìn)步。金剛石作為自然界中最硬的物質(zhì)，已成為制造工具領(lǐng)域的后起之秀。金剛石工具主要包括金剛石磨削工具、金剛石鋸切工具、金剛石切削工具和金剛石鉆孔工具，是高效加工硬脆材料的重要工具。由于金剛石具有極高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性，金剛石工具在加工硬脆材料方面表現(xiàn)出色。與陶瓷結(jié)合劑金剛石工具和樹脂結(jié)合劑金剛石工具相比，金屬結(jié)合劑金剛石工具由于金屬結(jié)合劑的優(yōu)異力學(xué)性能以及金剛石與金屬之間的優(yōu)異結(jié)合力而具有更好的性能。傳統(tǒng)的金屬結(jié)合劑工具制備方法包括熱壓燒結(jié)、電鍍和釬焊等方式。然而，這些方法存在一些問題，例如短壽命、熱量散發(fā)性能不足等。

       為了精確設(shè)計和制備具有預(yù)先設(shè)計好的孔隙形貌的多孔金屬結(jié)合劑金剛石工具，研究團(tuán)隊提出了3D打印結(jié)構(gòu)化金屬結(jié)合劑金剛石工具的新概念。尚未討論過金剛石粒度對3D打印金剛石工具成形性和力學(xué)性能的影響。眾所周知，各粉末的粒度對混合粉末的流動性和3D打印復(fù)合材料的成形性有顯著的影響。因此，研究金剛石粒度對新型3D打印金屬結(jié)合劑金剛石工具的影響具有重要意義。部分?jǐn)?shù)據(jù)如下：

圖 1. 混合粉末的 SEM 圖像

圖 2. 金屬結(jié)合劑金剛石工具的選擇性激光熔化原理

圖 3. 金屬結(jié)合劑金剛石工具的3D打印流程

圖 4. 掃描策略示意圖

圖 5. 密度測量原理

圖 6. 用于機(jī)械測試的 3D 打印樣品

圖 7. 力學(xué)測試設(shè)備

圖 8. 3D 打印金剛石工具樣品：（a）成品和（b）拋光后

圖 9. 3D打印金剛石的相對密度

圖10. 3D 打印金剛石工具的金剛石分布

圖 11. 3D打印金剛石工具的磨損形貌

圖12. 3D打印金剛石工具的元素分析

圖13. 金剛石磨料的結(jié)合條件表征

圖14. 3D打印金剛石工具的成形缺陷

圖15. 具有不同粒度的金剛石3D打印金剛石工具的拉伸試驗結(jié)果

圖16. 不同粒度的金剛石 3D 打印金剛石工具的壓縮測試結(jié)果

圖17. 不同粒度的金剛石3D打印金剛石工具的彎曲測試結(jié)果

圖 18. 金剛石粒度對3D打印金剛石工具力學(xué)性能的影響

       主要結(jié)論：

     （1）當(dāng)金剛石粒度從500目變化到200目時，3D打印金剛石工具的相對密度在0.91~0.96之間，且隨著金剛石粒度的減小，3D打印金剛石工具的相對密度下降。

     （2）3D打印金剛石工具中金剛石磨料均勻分布且牢固嵌入金屬結(jié)合劑中，金剛石與金屬的過渡區(qū)鈦元素富集程度較高且為化學(xué)冶金結(jié)合。

     （3）隨著金剛石粒度的減小，3D打印金剛石工具的主要力學(xué)指標(biāo)，包括楊氏模量、拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、彎曲模量和彎曲強(qiáng)度等均下降，但各項力學(xué)性能均能滿足金剛石工具的要求。

     （4）金屬結(jié)合劑的主要缺陷有氣孔缺陷、裂紋缺陷和未熔合缺陷。對于金剛石磨料來說，主要的缺陷有燒傷缺陷、粘結(jié)缺陷和脫落缺陷。焊后熱處理峰值溫度對沖擊韌性有顯著影響，在峰值溫度1180℃和1200℃進(jìn)行焊后熱處理后的試樣沖擊韌性值明顯下降，尤其是在–30℃和–45℃較低溫度下測試的試樣。3D打印金剛石工具中缺陷的尺寸和數(shù)量隨著金剛石粒度的減小而呈增加的趨勢，這可以解釋為什么相對密度和力學(xué)性能隨著金剛石粒度的減小而減弱。

     原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2024.106821