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(lái)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(guó)合成金剛石顆粒總產(chǎn)量占世界的95%以上，原料品質(zhì)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。然而，我國(guó)高端金剛石工具制品仍然不能完全滿(mǎn)足高精密、長(zhǎng)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(jì)與制造技術(shù)亟待提升，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形狀較簡(jiǎn)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(jì)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(qiáng)高性能金剛石工具制品增材制造技術(shù)的研發(fā)，推動(dòng)金剛石行業(yè)技術(shù)升級(jí)和結(jié)構(gòu)調(diào)整，是支撐國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略順利實(shí)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(lèi)，在增材制造技術(shù)領(lǐng)域扮演著重要的角色。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)圍繞金屬基金剛石復(fù)合材料激光增材制造方向開(kāi)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(diǎn)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(píng)價(jià)等方面展開(kāi)。然而，在激光增材制造過(guò)程中，金剛石極易受到激光直接輻照和熔池瞬時(shí)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(huì)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(guò)度的石墨化轉(zhuǎn)變將嚴(yán)重影響金剛石顆粒強(qiáng)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(guò)程，以及誘導(dǎo)金剛石表面石墨化轉(zhuǎn)變的主要原因與機(jī)理卻鮮有報(bào)道。

02文章概述

基于上述背景，來(lái)自中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gè)影響打印過(guò)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(guò)程金剛石磨粒的熱演化過(guò)程，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該過(guò)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(jì)與結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性預(yù)測(cè)提供了一個(gè)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(guó)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(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項(xiàng)目、湖南省自然科學(xué)基金的支持。據(jù)悉，論文作者團(tuán)隊(duì)主要來(lái)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(lái)，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(jì)與強(qiáng)韌化調(diào)控、新型增材制造及涂層技術(shù)的研發(fā)，在國(guó)內(nèi)外權(quán)威期刊已發(fā)表多項(xiàng)成果

03研究亮點(diǎn)

• 以單顆金剛石磨粒為研究對(duì)象，通過(guò)有限元模擬分析構(gòu)建了金剛石磨粒的溫度場(chǎng)模型，反映了金剛石磨粒在PBF-LB中的熱演化過(guò)程。
• 闡明了PBF-LB過(guò)程金剛石的熱損傷機(jī)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(chǎng)分布狀態(tài)

圖2 不同工藝下金剛石顆粒的最高溫度-時(shí)間變化曲線

圖3 不同溫度下金剛石顆粒微觀結(jié)構(gòu)

無(wú)石墨化、輕微石墨化和嚴(yán)重石墨化區(qū)域分別對(duì)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?cái)U(kuò)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(huì)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(shí)，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(gè)定量關(guān)系來(lái)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)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(dòng)進(jìn)程中金剛石磨粒溫度呈現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)金剛石磨粒與熔池部分接觸和完全浸入熔池時(shí)刻。此外，不能簡(jiǎn)單地基于激光能量密度來(lái)評(píng)價(jià)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(guò)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(jī)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(lái)

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(jì)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(guò)增材制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新，實(shí)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(duì)重大加工需求的靈活設(shè)計(jì)、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(guó)高端金剛石超硬制品長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口的被動(dòng)局面，提升我國(guó)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(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的重要需求。