中南大學增材制造頂刊：金屬基金剛石復合材料PBF-LB中磨料熱演化和石墨化的研究(2)
時間：2022-10-05 12:23 來源：磨具磨料 作者：admin 閱讀：次
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，金剛石發生石墨化轉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”的定量關系。
04圖文導讀
圖1 金剛石顆粒的溫度場分布狀態
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構
無石墨化、輕微石墨化和嚴重石墨化區域分別對應紫色區域1、綠色區域2和紅色區域3
圖4 不同溫度下復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結論
在金剛石超硬復合材料的激光增材制造中，金剛石和粉末材料參數以及激光工藝參數是影響其成形質量的主要因素。金剛石具有優良的導熱性能，它會改變合金熔體的局部導熱能力和溫度分布，從而影響熔池形態、金剛石附近的微觀組織和成形質量。此外，由于金剛石高溫熱穩定性較差，當與高溫熔池接觸時，容易發生氧化、石墨化、化學侵蝕等熱損傷。因此，建立一個定量關系來準確評價金剛石磨料的熱損傷行為及其相關的微觀組織-性能特征，為工藝參數與成形之間的關系提供基礎支撐，是極其重要的。
研究發現：(1)熔池移動進程中金剛石磨粒溫度呈現兩個峰值，分別對應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，激光能量密度與熔池（金剛石磨粒）溫度并非呈線性關系。(2)PBF-LB激光能量輸入遠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所致。CuSn10 -金剛石復合材料在PBF-LB過程中石墨化的臨界溫度為1491.6℃。(3)復合材料的磨損性能隨石墨化程度的增加而降低，摩擦系數由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
增材制造技術從原理上突破了傳統構件的結構設計和制造模式，能夠實現復雜形狀金剛石工具制品精密成形。通過增材制造技術的不斷創新，實現復雜形狀金剛石制品的制備和高性能化，有效解決復雜結構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，大幅提升金剛石復合材料工具制造對重大加工需求的靈活設計、快速反應和生產能力，降低研發成本，縮短制造流程和周期，提高產品服役性能，從而加快改變我國高端金剛石超硬制品長期依賴進口的被動局面，提升我國高性能金剛石制品的研發能力，支撐高端制造業和相關產業的發展，解決國民經濟和國防建設的重要需求。
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