中南大学金刚石复合材料激光增材制造热演化及
发表时间:2022-10-06 作者:211大学网

  中南大学金刚石复合材料激光增材制造热演化及热损伤机制的研究 l 增材顶刊

  激光增材制造技术从原理上突破了传统构件的结构设计和制造模式,能够实现复杂形状金刚石工具精密成形。然而,在激光增材制造过程中,金刚石极易受到激光直接辐照和熔池瞬时高温的影响而造成热损伤。因此,金刚石的热损伤控制是激光增材制造能否广泛应用于金刚石超硬复合材料制备的先决条件和关键因素。

  中南大学粉末冶金国家重点实验室、河南黄河旋风股份有限公司等单位的学者对于激光粉末床熔融增材制造金属基金刚石复合材料中的金刚石磨粒热演化和石墨化进行了研究。相关成果发表在国际著名期刊Virtual and Physical Prototyping上。

  本期谷.专栏,将分享这一研究的研究背景、研究亮点、研究结果,以及这项研究对于我国复杂形状金刚石工具制造与高端金刚石超硬制品制造领域的意义。

  

中南大学金刚石复合材料激光增材制造热演化及

  相关研究论文链接:

  https://doi.org/10.1080/17452759.2022.2121224

  该论文共同第一作者为马青原、彭英博,第一完成单位为中南大学,通讯作者为中南大学张伟副研究员。

  / 研究背景

  超硬工具制品在硬、脆等难加工材料的精密、高效、节能制造等方面具有不可替代的作用。金刚石作为最硬的材料,其工具制品(包括钻具、刀具和磨具),占超硬工具的总量80%以上。我国合成金刚石颗粒总产量占世界的95%以上,原料品质已达到国际先进水平。然而,我国高端金刚石工具制品仍然不能完全满足高精密、长寿命等加工要求

  当前金刚石复合材料领域的主要技术瓶颈在于:工具制品结构-功能一体化设计与制造技术亟待提升,现有结构形状较简单、加工效率低,缺少如多孔体、内流道等复杂形状结构,金刚石磨粒有序排布、材料成分梯度分布等特殊微结构,以提升容屑、冷却、缓解应力的功能。结构-功能一体化是提高金刚石工具加工性能的重大发展方向。增材制造技术从原理上突破了传统构件的结构设计和制造模式,能够实现复杂形状金刚石工具精密成形。加强高性能金刚石工具制品增材制造技术的研发,推动金刚石行业技术升级和结构调整,是支撑国家发展战略顺利实施的重大任务。

  激光增材制造技术是增材制造技术中最具代表性的一类,在增材制造技术领域扮演着重要的角色。近年来,国内外学者及研究机构围绕金属基金刚石复合材料激光增材制造方向开展了较为丰富的探索性研究工作,并取得了一系列成果。

  目前的研究热点主要围绕内结构成形、工艺参数优化、界面组织结构演化以及基础力学性能评价等方面展开。然而,在激光增材制造过程中,金刚石极易受到激光直接辐照和熔池瞬时高温的影响而造成热损伤。因此,金刚石的热损伤控制是激光增材制造能否广泛应用于金刚石超硬复合材料制备的先决条件和关键因素。有部分研究表明,激光增材制造会导致金刚石出现热损伤,主要形式为金刚石磨粒表面的石墨化转变。过度的石墨化转变将严重影响金刚石颗粒强度及复合材料的综合力学性能。但是截止目前,金刚石磨粒在激光增材制造中的热演化过程,以及诱导金刚石表面石墨化转变的主要原因与机理却鲜有报道。

  基于以上背景,中南大学粉末冶金国家重点实验室、河南黄河旋风股份有限公司等单位的学者,围绕高能激光束和高温熔池两个影响打印过程中金刚石石墨化行为的关键因素,选取典型的金刚石工具用金属结合剂CuSn10粉末,采用粉末床熔融(Powder bed fusion- laser beam,PBF-LB)技术制备了CuSn10-金刚石复合材料。该研究团队利用ANSYS有限元模拟软件,首次重现了PBF-LB过程金刚石磨粒的热演化过程,并结合实验验证了该过程中石墨化转变的温度阈值,建了“PBF-LB工艺-磨粒温度-石墨化程度-力学性能”的定量关系模型,该研究为金属基金刚石复合材料的激光增材制造工艺设计与结构-性能相关性预测提供了一个很好的策略和路径。

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  / 研究亮点

  该研究团队所开展的工作包括以下几个研究亮点:

  

以单颗金刚石磨粒为研究对象,通过有限元模拟分析构建了金刚石磨粒的温度场模型,反映了金刚石磨粒在PBF-LB中的热演化过程。

阐明了PBF-LB过程金刚石的热损伤机制,金刚石发生石墨化转变并非是由激光的直接辐照造成的,而是由高温熔池的热影响导致。

建立了“PBF-LB工艺-金刚石磨粒温度-石墨化程度-摩擦磨损性能”的定量关系。

  / 图文导读

  

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  图1 金刚石颗粒的温度场分布状态

  

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  图2 不同工艺下金刚石颗粒的最高温度-时间变化曲线

  

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  图3 不同温度下金刚石颗粒微观结构:无石墨化、轻微石墨化和严重石墨化区域分别对应紫色区域1、绿色区域2和红色区域3

  

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  图4 不同温度下复合材料界面元素扩散特征:(a)1242.1℃;(b)1539.4℃;(c)1891.1℃

  

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  图5 PBF-LB制备CuSn10-金刚石复合材料示意图:(a)混合粉末床;(b)激光直接辐照金刚石;(c)高温熔池接触金刚石

  / 研究结论