中南大學金剛石復合材料激光增材制造熱演化及熱損傷機制的研究
激光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精密成形。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用于金剛石超硬復合材料制備的先決條件和關鍵因素。
中南大學粉末冶金國家重點實驗室、河南黃河旋風股份有限公司等單位的學者對于激光粉末床熔融增材制造金屬基金剛石復合材料中的金剛石磨粒熱演化和石墨化進行了研究。相關成果發表在國際著名期刊Virtual and Physical Prototyping上。本期將分享這一研究的研究背景、研究亮點、研究結果，以及這項研究對于我國復雜形狀金剛石工具制造與高端金剛石超硬制品制造領域的意義。
相關研究論文鏈接：
https://doi.org/10.1080/17452759.2022.2121224
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，通訊作者為中南大學張偉副研究員。
研究背景
超硬工具制品在硬、脆等難加工材料的精密、高效、節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。我國合成金剛石顆粒總產量占世界的95%以上，原料品質已達到國際先進水平。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。
當前金剛石復合材料領域的主要技術瓶頸在于：工具制品結構-功能一體化設計與制造技術亟待提升，現有結構形狀較簡單、加工效率低，缺少如多孔體、內流道等復雜形狀結構，金剛石磨粒有序排布、材料成分梯度分布等特殊微結構，以提升容屑、冷卻、緩解應力的功能。結構-功能一體化是提高金剛石工具加工性能的重大發展方向。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精密成形。加強高性能金剛石工具制品增材制造技術的研發，推動金剛石行業技術升級和結構調整，是支撐國家發展戰略順利實施的重大任務。
激光增材制造技術是增材制造技術中最具代表性的一類，在增材制造技術領域扮演著重要的角色。近年來，國內外學者及研究機構圍繞金屬基金剛石復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結構成形、工藝參數優化、界面組織結構演化以及基礎力學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用于金剛石超硬復合材料制備的先決條件和關鍵因素。有部分研究表明，激光增材制造會導致金剛石出現熱損傷，主要形式為金剛石磨粒表面的石墨化轉變。過度的石墨化轉變將嚴重影響金剛石顆粒強度及復合材料的綜合力學性能。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，以及誘導金剛石表面石墨化轉變的主要原因與機理卻鮮有報道。
基于以上背景，中南大學粉末冶金國家重點實驗室、河南黃河旋風股份有限公司等單位的學者，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鍵因素，選取典型的金剛石工具用金屬結合劑CuSn10粉末，采用粉末床熔融（Powder bed fusion- laser beam，PBF-LB）技術制備了CuSn10-金剛石復合材料。該研究團隊利用ANSYS有限元模擬軟件，首次重現了PBF-LB過程金剛石磨粒的熱演化過程，并結合實驗驗證了該過程中石墨化轉變的溫度閾值，建了“PBF-LB工藝-磨粒溫度-石墨化程度-力學性能”的定量關系模型，該研究為金屬基金剛石復合材料的激光增材制造工藝設計與結構-性能相關性預測提供了一個很好的策略和路徑。
研究亮點
該研究團隊所開展的工作包括以下幾個研究亮點：
- 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。
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
研究結論
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。
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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