激光粉末床熔融制造金剛石基復合材料復雜構件

供稿人：張碧璇 導師：王富
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

金屬基復合材料（MMC）是目前最有前途的先進應用材料之一，金屬基體與增強體的結合使其具有優(yōu)良的機械、熱學和電學性能，但目前其主要制備方法粉末冶金、攪拌鑄造和擠壓鑄造只能制備出簡單結構的MMC，無法發(fā)揮其全部的優(yōu)異性能。激光粉末床熔融（LPBF）技術可以制造傳統(tǒng)方法難以制造的復雜結構。而現有的LPBF方法制備MMC結構的難度較大，未熔化的顆粒會對熔池造成影響，導致飛濺，并形成打印缺陷。

美國內布拉斯加大學林肯分校的Loic Constantin等人利用LPBF技術制備Cu/D復合材料，研究發(fā)現，在傳統(tǒng)的LPBF工藝中增加一個重新涂覆步驟，可以顯著提高Cu/D復合材料的打印質量。研究人員通過實施不同的3D打印策略，即重涂和重熔，成功地打印了致密、復雜和高導電的Cu/5 vol% D復合材料。

在本研究中，將5 vol% 帶有二氧化鈦-碳化鈦涂層的金剛石顆粒與純銅粉混合。傳統(tǒng)的LPBF技術通過重復三個步驟來逐層打印3D零件：沉積薄粉層，激光熔化，降低基板。使用這種策略打印Cu/D復合材料時，在激光和Cu+D粉末相互作用過程中會出現大量飛濺和金屬蒸氣。

重涂策略包括五個步驟：沉積薄粉層，激光熔化，再沉積薄粉層，激光熔化，降低基板。重熔策略包括四個步驟：沉積薄粉層，激光熔化，激光重熔，降低基板。采用不同的打印策略和打印參數對金屬基復合材料進行打印，發(fā)現采用重熔策略獲得的復合材料密度最大，其次是重涂策略。采用重熔策略在工藝窗口中產生平滑、致密的樣品。

圖1 使用單熔化、重涂和重熔策略打印時Cu/D復合材料表面的圖示

圖2 用于微電子應用的復雜結構Cu/D復合材料

本研究通過在LPBF工藝中增加新的打印步驟，限制了飛濺和打印缺陷的產生，為激光3D打印廣泛用于MMC開辟了新的途徑。

參考文獻：
Loic Constantin, Nada Kraiem, Zhipeng Wu, Bai Cui, Jean-Luc Battaglia, Christian Garnier, Jean-François Silvain, Yong Feng Lu, Manufacturing of complex diamond-based composite structures via laser powder-bed fusion, Additive Manufacturing, Volume 40, 2021.