在材料科學(xué)領(lǐng)域，金剛石顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料憑借金屬與金剛石的優(yōu)良特性，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。而增材制造技術(shù)（俗稱 3D 打印技術(shù)）的興起，更為這種復(fù)合材料復(fù)雜構(gòu)件的直接成形開辟了新途徑。今天，就讓我們一起深入了解一下增材制造金剛石顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究進(jìn)展。

       增材制造技術(shù)：復(fù)合材料成形新選擇

       傳統(tǒng)制備金屬 / 金剛石復(fù)合材料的方法，如高溫高壓燒結(jié)、真空熱壓燒結(jié)等，在面對(duì)異型、超薄、內(nèi)部流道等復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件時(shí)，常因模具設(shè)計(jì)和機(jī)加工處理復(fù)雜、加工成本高而受限。增材制造技術(shù)則不同，它以粉末、液體、絲材等為原料，基于零件三維模型，通過(guò)逐點(diǎn) - 逐線 - 逐層堆積的方式實(shí)現(xiàn)材料成形，具有材料利用率高、工序少、生產(chǎn)效率高、能制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件等諸多優(yōu)勢(shì)。目前，用于金屬 / 金剛石復(fù)合材料制備的增材制造技術(shù)主要有以下幾種：

       激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）：該技術(shù)依據(jù)零件三維模型切片信息，利用激光束選擇性熔化粉末層，形成含金剛石顆粒的微熔池，層層累積最終成形零件，在精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)直接成形方面優(yōu)勢(shì)顯著。         激光熔覆技術(shù)（LC）：通過(guò)激光束將熔覆材料與基材熔凝，在基材表面制備出性能優(yōu)異的含有金剛石顆粒的耐磨層。其熔覆材料供給方式分為預(yù)置式和同步式兩種，相比傳統(tǒng)電鍍、釬焊工藝，能有效提高表層與基體的結(jié)合力。

       冷噴涂技術(shù)（CS）：這是一種基于高速粒子固態(tài)沉積的涂層制備方法。微粉在被加速撞擊到基材上后形成涂層，由于全程處于低溫狀態(tài)，可避免金剛石在高溫沉積過(guò)程中出現(xiàn)的熱損傷、殘余熱應(yīng)力和相變等問(wèn)題，在金剛石耐磨層制備上潛力巨大。

        粉末原料：復(fù)合材料性能的基石

       金屬 / 金剛石復(fù)合材料多以粉末作為成形原料，粉末質(zhì)量直接決定了成形零件的品質(zhì)。

       金屬粉末的選擇：為保證金屬元素均勻性和粉末流動(dòng)性，常選用球形或近球形預(yù)合金粉末，常用粒度范圍為 15 - 53μm（細(xì)粉）和 53 - 150μm（粗粉） ，制備技術(shù)包含霧化法和等離子法。確定合金成分時(shí)，既要考慮其對(duì)增材制造過(guò)程的適應(yīng)性，也要關(guān)注其與金剛石的親和性。目前，Al 合金、Fe 合金、Ti 合金等多種合金體系被用于增材制造金屬 / 金剛石復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，Ti 基合金在界面反應(yīng)、石墨化控制等方面綜合性能更優(yōu)，但 Co、Fe、Ni 等元素可能促進(jìn)金剛石石墨化，需謹(jǐn)慎選擇。       金剛石粉末的選擇：常規(guī)金剛石參數(shù)眾多，可按需選擇。對(duì)于粉床型增材制造技術(shù)，要結(jié)合分層厚度確定合適粒徑。此外，對(duì)金剛石表面進(jìn)行改性處理十分必要，它能提高與金屬的潤(rùn)濕性、增強(qiáng)與金屬基體的結(jié)合強(qiáng)度，在冷噴涂技術(shù)中還能使金剛石顆粒與金屬外殼形成冶金結(jié)合。

       金剛石濃度及粉末均勻性：一般來(lái)說(shuō)，金剛石濃度越高，復(fù)合材料的耐磨、導(dǎo)熱性能越好，但過(guò)高濃度會(huì)導(dǎo)致金屬熔體無(wú)法充分包裹金剛石顆粒，且成本增加，因此需根據(jù)實(shí)際需求確定濃度。對(duì)于粉床型增材制造技術(shù)，由于粉末要重復(fù)循環(huán)使用，所以評(píng)估粉末均勻性對(duì)保證成形產(chǎn)品穩(wěn)定性至關(guān)重要。

       技術(shù)難題：前行路上的挑戰(zhàn)

       在增材制造金屬 / 金剛石復(fù)合材料的過(guò)程中，還面臨著諸多技術(shù)難題。

       金剛石飛濺問(wèn)題：在復(fù)合材料增材制造過(guò)程中，金剛石飛濺現(xiàn)象明顯，這可能導(dǎo)致金屬液滴球化，進(jìn)而形成孔隙缺陷，尤其在金剛石含量較高時(shí)更為突出。飛濺不僅造成材料損失，還會(huì)影響熔化軌跡的連續(xù)性，導(dǎo)致粉末缺失，影響下一層粉末鋪展，加劇層厚的不連續(xù)性和不均勻性。飛濺主要分為蒸發(fā)引起的飛濺和夾帶引起的飛濺，增加激光能量密度對(duì)控制飛濺作用有限，而通過(guò)重復(fù)熔化可有效抑制飛濺和成形缺陷。

       金屬與金剛石顆粒界面控制：當(dāng)金剛石與高溫熔池接觸，界面會(huì)發(fā)生復(fù)雜反應(yīng)，這直接影響基體對(duì)金剛石的把持力以及復(fù)合材料的物理性能。不同合金體系的界面反應(yīng)不同，例如 AlSi 系基體材料，在低激光能量密度下可得到潔凈界面，高能量密度下則會(huì)形成氧化物層和碳化物層，降低復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。此外，由于金剛石與金屬基體熱膨脹系數(shù)不同，界面處還易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，導(dǎo)致金剛石顆粒周圍出現(xiàn)裂紋。

       金剛石的石墨化問(wèn)題：金剛石熱穩(wěn)定性差，受到高能束流沖擊或與高溫熔池接觸時(shí)易發(fā)生石墨化，這會(huì)嚴(yán)重影響復(fù)合材料的使用性能。多項(xiàng)研究表明，激光選區(qū)熔化過(guò)程中的高溫?zé)醾鲗?dǎo)、熱沖擊，以及合金中的某些元素都會(huì)加劇金剛石的石墨化。通過(guò)控制熔池溫度，能在一定程度上控制石墨化現(xiàn)象。

       金剛石顆粒的破損：此問(wèn)題主要出現(xiàn)在冷噴涂技術(shù)中。盡管冷噴涂的低成形溫度避免了金剛石的高溫?fù)p傷，但高速粒子沖擊基體時(shí)，脆性的金剛石顆粒極易破碎。研究發(fā)現(xiàn)，沉積樣品內(nèi)部破損金剛石顆粒的含量與沖擊速度和破損速度的比值有關(guān)，在金剛石表面包覆緩沖層可緩解沖擊損傷。

       應(yīng)用領(lǐng)域：潛力無(wú)限的舞臺(tái)

       增材制造金屬 / 金剛石復(fù)合材料憑借其優(yōu)良性能，在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

       工具材料領(lǐng)域：在硬質(zhì)材料加工的砂輪、鉆頭、磨盤等工具材料方面，增材制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。比如，利用該技術(shù)制備的多孔鋁合金 / 金剛石復(fù)合材料砂輪，孔隙率可調(diào)，性能優(yōu)于傳統(tǒng)電鍍法制備的產(chǎn)品；制備的特殊結(jié)構(gòu)鉆頭和磨盤，能優(yōu)化切削面結(jié)構(gòu)，提高工作效率。

       散熱材料領(lǐng)域：金剛石導(dǎo)熱性能極佳，與高導(dǎo)熱金屬基體復(fù)合后，通過(guò)增材制造技術(shù)控制界面，可獲得導(dǎo)熱性能高、熱膨脹系數(shù)低的復(fù)合材料，在微電子行業(yè)散熱材料領(lǐng)域備受關(guān)注。

       未來(lái)展望：機(jī)遇與挑戰(zhàn)同在

       目前，增材制造金屬 / 金剛石復(fù)合材料仍處于基礎(chǔ)研究階段。與傳統(tǒng)粉末冶金制備技術(shù)相比，其成本較高，且存在金屬熔池穩(wěn)定性差、金剛石易損傷、成形質(zhì)量和精度控制難度大等問(wèn)題。復(fù)合材料致密化與缺陷形成機(jī)制、金剛石石墨化機(jī)理尚不明確。未來(lái)，需要在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與成分設(shè)計(jì)、增材制造工藝優(yōu)化等方面開展大量研究工作，建立工藝參數(shù)與成型質(zhì)量、金剛石完整度、性能之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料致密性、界面結(jié)合、金剛石防護(hù)等多方面的協(xié)同控制。

       相信隨著研究的不斷深入和技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，增材制造金剛石顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料必將在更多領(lǐng)域大放異彩，為材料科學(xué)的發(fā)展注入新的活力。