中南大學在增材制造NiCu/金剛石復合材料取得進展

來源：AMLetters

粉末床熔融（PBF）和定向能量沉積（DED）是典型的增材制造（AM）技術，用于生產金屬和復合材料。這些方法因其能夠實現近凈成形、減少材料浪費和制造復雜結構組件的能力而在各行業(yè)中興起。這對于脆性材料尤其重要，因為大大減少了加工需求。金剛石復合材料以其超高硬度、卓越的耐磨性和優(yōu)異的導熱性在電信、消費電子、航空航天、交通、采礦、機械工程等領域得到廣泛應用。然而，由于其超高硬度和固有脆性，成形特定幾何形狀非常具有挑戰(zhàn)性。

激光粉床應用廣，各種問題卻不少
因此，許多研究集中在使用激光粉末床熔融（PBF-LB）方法制造金剛石復合材料。

（1）然而，PBF-LB 制造的金剛石復合材料通常相對密度低（約80-87%），并有大量孔隙，這歸因于光束能量輸入不足。

（2）由于能量輸入不足，表面粗糙度高和未熔顆粒普遍存在。

（3）盡管進行了廣泛的參數優(yōu)化嘗試，PBF-LB固有的快速凝固仍會導致金剛石復合材料中的殘余應力引發(fā)裂紋。

（4）此外，PBF-LB中的高能量密度會引發(fā)金剛石石墨化。當激光輻照溫度超過700°C時，碳碳鍵從sp3雜化態(tài)轉變?yōu)閟p2雜化態(tài)，開始石墨化。石墨由于具有更高的激光吸收率，進一步加速了石墨化。

有學者發(fā)現，用鈦（Ti）涂層覆蓋金剛石顆粒有助于在PBF-LB過程中防止其石墨化，因為鈦涂層與金剛石反應形成致密的碳化物層，減緩了石墨化過程。這表明，使用金屬涂層可能是保持金剛石顆粒在增材制造過程中穩(wěn)定的有益方法。

電子取代激光束，裂紋石墨統(tǒng)統(tǒng)了
作為一種復雜的PBF技術，電子束粉末床熔融（PBF-EB）相對于激光粉末床熔融（PBF-LB）應用受限，因為其設備成本高且僅適用于導電材料。然而，PBF-EB在制備金剛石復合材料方面具有獨特優(yōu)勢：

（1）PBF-EB的真空環(huán)境可抑制金剛石石墨化，在PBF-EB的低氧條件下，氧原子難以破壞金剛石的C-C鍵，從而減輕石墨化。

（2）此外，PBF-EB的高預熱溫度有助于抑制裂紋，

（3）利用電磁場控制電子束運動可實現超高掃描速度，大幅提高制造效率。

然而，關于PBF-EB制備金剛石復合材料的文獻非常稀少。

純銅軟來鎳銅硬，界面結合是關鍵
銅/金剛石復合材料因其優(yōu)異的熱性能，如高導熱性和工作溫度，引起了廣泛關注。然而，銅的低強度和與金剛石的差潤濕性嚴重限制了銅/金剛石復合材料的應用。鎳銅（Ni-Cu）合金具有優(yōu)異的機械性能、抗氧化性和與金剛石相似的晶格參數，成為金屬/金剛石復合材料中金屬“粘結劑”的有力候選者。

中南大學粉冶院，增材頂刊看一看
近日，中南大學粉末冶金研究院 劉詠教授 團隊的 王若沖博士 等學者，在增材制造頂刊《Additive Manufacturing》上發(fā)表題為：粉末床增材制造NiCu/金剛石復合材料（Additive manufacturing of high-quality NiCu/diamond composites through powder bed fusion）的學術文章。他們首次應用電子束粉末床熔融（PBF-EB）技術制備了兼具高密度和優(yōu)異的綜合性能的NiCu/金剛石復合材料，并采用半定量模型計算出無量綱體積能量密度（DVED）值。優(yōu)化的DVED值提供了普遍適用的范圍，為其他金屬/金剛石復合材料的PBF-EB過程提供了有價值的指導。

論文DOI：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104288

圖1. 原料的形態(tài)和尺寸分布。(a, b) NiCu合金粉末和鎢涂層金剛石顆粒的形態(tài)，(c) (b) 的截面圖（插圖為放大視圖），(d, e) NiCu合金粉末和鎢涂層金剛石顆粒的尺寸分布。

圖2. (a) PBF-EB制備NiCu/金剛石復合材料的制備過程示意圖，(b) 復合材料的表面形態(tài)和 (c) 橫截面形態(tài)，展示均勻的金剛石分布。

圖3. (a) 不同掃描速度和束流下制備的PBF-EB NiCu/金剛石復合材料的表面形態(tài)。(b) 欠熔（藍色虛線框圈出），(c) 良好熔化（綠色虛線框圈出），(d) 過熔（紅色虛線框圈出）的代表性表面形態(tài)。

圖4. (a) 不同掃描速度和束流下制備的PBF-EB NiCu/金剛石復合材料的橫截面形態(tài)。(b) 欠熔（藍色虛線框圈出），(c) 良好熔化（綠色虛線框圈出），(d) 過熔（紅色虛線框圈出）的代表性橫截面形態(tài)。

圖5. 測量的密度和不同掃描速度及束流下制備的PBF-EB NiCu/金剛石復合材料的相對密度分布圖。顏色從棕色到綠色的變化表示密度的增加。

圖6. 在不同激光能量密度（LED）下制備的PBF-EB NiCu/金剛石復合材料表面界面結合形態(tài)。(a) 低LED，(b) 中等LED，(c) 高LED。

圖7. PBF-EB NiCu/金剛石復合材料橫截面界面結合形態(tài)。(a1, a2) 中等線性能量密度樣品的SEI和BSEI圖像，(b1, b2) 高線性能量密度樣品的SEI和BSEI圖像。

圖8. PBF-EB NiCu/金剛石復合材料的拉曼光譜。束掃描速度分別為(a) 7 m/s，(b) 6 m/s，(c) 5 m/s，(d) 4 m/s，(e) 3 m/s。

圖9. PBF-EB NiCu/金剛石復合材料中石墨化的半定量分析結果。

圖10. PBF-EB NiCu/金剛石復合材料的體積能量密度（DVED）值。

圖11. 使用5 m/s掃描速度和不同束流（10到18 mA）制備的PBF-EB NiCu/金剛石復合材料的機械性能。

圖12. 使用5 m/s掃描速度和不同束流（a) 10 mA; b) 12 mA; c) 14 mA; d) 16 mA; e) 18 mA）制備的PBF-EB NiCu/金剛石復合材料的斷裂圖像。

圖13. 具有優(yōu)化ED*的PBF-EB鉆頭：(a) 不同角度的照片；(b) 微型CT三維孔隙分布（插圖為三維重建圖像）。

圖14. 束流為12 mA、掃描速度為5 m/s的PBF-EB NiCu/金剛石復合材料的EPMA結果。(a) 金剛石與基體界面的微觀結構BSEI圖像。(b-h) 分別為C、Ni、Cu、Si、Mn、B和W的成分分布圖。

圖15. NiCu合金基體與金剛石界面處的HAADF-STEM圖像及相應的元素分布圖。

作者介紹

劉永 教授
劉詠，男，江西蓮花人，教授，博士生導師，德國洪堡學者。長期從事粉末冶金新材料新技術研究，研發(fā)了多種關鍵材料。發(fā)明了多種梯度結構硬質合金制備技術；創(chuàng)新了粉末冶金難加工材料的熱變形理論研究；發(fā)明多種鈦合金成形加工技術；揭示了先進結構材料中微結構的演化機制。
發(fā)表學術論文100余篇，出版專著2本。已授權國家發(fā)明專利50余項。2011年獲國家科技進步一等獎；2015年獲湖南省科技進步一等獎；2016年獲高等學�？茖W研究優(yōu)秀成果獎自然科學獎二等獎；2020年獲湖南省科學技術創(chuàng)新團隊獎。

主要科研方向為鈦及鈦合金、高溫結構材料、高熵合金、硬質合金等。

王若沖 博士
中國大學生在線網有一篇題為《王若沖：四年加權綜測成績雙榜首，三獲國獎斬多項榮譽的直博學霸》的文章，專門介紹了本科期間王博的學霸人生。
王若沖，粉末冶金研究院材化1701班本科生，大學四年期間，王若沖每學期加權成績與每學年綜合測評成績排名均為年級第一，入選第一批中南大學本-博“拔尖創(chuàng)新計劃”，保研至粉末冶金研究院繼續(xù)攻讀博士研究生。