中南大學(xué)增材制造頂刊：金屬基金剛石復(fù)合材料PBF-LB中磨料熱演化和石墨化的研究

來源：磨具磨料

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)計和制造模式，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀金剛石工具精密成。加強高性能金剛石工具制品增材制造技術(shù)的研發(fā)，推動金剛石行業(yè)技術(shù)升級和結(jié)構(gòu)調(diào)整，是支撐國家發(fā)展戰(zhàn)略順利實施的重大任務(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)性能評價等方面展開。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)變的主要原因與機理卻鮮有報道。

02文章概述

基于上述背景，來自中南大學(xué)粉末冶金國家重點實驗室、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。研究人員利用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)合實驗驗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)計與結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性預(yù)測提供了一個很好的策略和路徑。相關(guān)成果以題為“Quantitative investigation of thermal evolution and graphitization of diamond abrasives in powder bed fusion- laser beam of metal-matrix diamond composites”發(fā)表在國際著名期刊virtual and physical prototyping（IF=10.962）上。

相關(guān)論文鏈接：https://www.tandfonline.com/doi/ ... 452759.2022.2121224

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。該項研究得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項目、湖南省自然科學(xué)基金的支持。據(jù)悉，論文作者團隊主要來自中南大學(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)計與強韌化調(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)表多項成果

03研究亮點

• 以單顆金剛石磨粒為研究對象，通過有限元模擬分析構(gòu)建了金剛石磨粒的溫度場模型，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。
  

04圖文導(dǎo)讀

圖1 金剛石顆粒的溫度場分布狀態(tài)

圖2 不同工藝下金剛石顆粒的最高溫度-時間變化曲線

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)合材料界面元素擴散特征

(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

05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，容易發(fā)生氧化、石墨化、化學(xué)侵蝕等熱損傷。因此，建立一個定量關(guān)系來準(zhǔn)確評價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)熔池移動進(jìn)程中金剛石磨粒溫度呈現(xiàn)兩個峰值，分別對應(yīng)金剛石磨粒與熔池部分接觸和完全浸入熔池時刻。此外，不能簡單地基于激光能量密度來評價金剛石狀態(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。

06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)合材料工具制造對重大加工需求的靈活設(shè)計、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)濟和國防建設(shè)的重要需求。