3D打印金属基金刚石复合材料的试验研究

杨 展， 谭松成， 杨凯华

(1. 中国地质大学(武汉) 机电与电子信息学院， 武汉 430074)(2. 中国地质大学(武汉) 工程学院， 武汉 430074)

金属基金刚石复合材料是各种金刚石工具的基础。我国制造金属基金刚石复合材料及其工具的传统方法以热压烧结法、无压浸渍法和高温钎焊法为主[1]。为获得理想的材料性能，同一个胎体配方中往往包含多种金属粉末材料，而不同金属材料的硬度、比重、熔点和粒度等物理力学性能相差悬殊。如在高温烧结过程中，胎体配方中的WC和YG8等处于固相状态，Ni、Co和Fe等金属则处于热塑变状态，只有黏结金属如663-Cu和CuSn10等处于液相状态。因此，高温烧结法获得的金属基复合材料虽然也属于合金范畴，但与熔炼后形成的合金具有本质区别，导致高温烧结胎体与金刚石表面属于机械包镶结合[2-3]，金刚石有效出刃高度小，胎体金属在高温条件下易对金刚石造成热损伤[4]，以及金属基复合材料金刚石工具性能调节困难等不足。

以热压金属结合剂金刚石钻头为例，为提高钻头的使用性能，除了深入研究金属复合材料与所钻对象的适应性之外，还需要对钻头结构进行不断创新[5-7]。图1为具有特殊复杂结构的金刚石钻头切削齿示意图。理论分析与现场实践表明[8-9]：分层复合型结构(图1a、1b所示)和柱状助磨体结构(图1c所示)的金刚石钻头能达到更高的机械钻速。然而，传统热压烧结方法难以实现自动装模，靠人工装模不仅生产效率低下，而且装模质量不稳定，直接影响钻头质量。

(a)(b)(c)1—工作层,2—助磨层/体图1 具有特殊复杂结构的金刚石钻头切削齿示意图

近年来，3D打印技术已成为一种新型热门制造技术，它使用多种原材料成型制造具有不同力学性能和结构特征的零部件[10-11]。激光选区熔化(selective laser melting, SLM)金属3D打印技术是其中之一。它使用光纤激光器进行SLM成型，具有能量密度高、光斑细小、成型精度高和冷却速度快等特点[12-14]。其中，所使用的高能量激光可以将金属粉末完全熔化，使成型的产品具有合金化程度高、力学强度高和性能更稳定等特点。此外，该技术将复杂的三维加工转变为简单的二维加工，使成型精密和具有复杂结构的零部件制造更加便捷。

因此，SLM成型技术可为金属基金刚石复合材料及工具的设计制造提供新的发展契机。本研究通过理论分析和SLM成型试验，确定采用SLM技术成型金属基金刚石复合材料与金刚石工具的可行性，并探索新技术研究应用过程中存在的科学和技术问题，为SLM技术成功应用于金刚石工具制造领域提供参考。

1 SLM成型用金属粉末材料

SLM成型技术对粉末材料的粒度、形貌与物性等有一定的要求，如金属粉末粒度尺寸应为40～50 μm。而传统热压烧结法使用的金属粉末尺寸通常为82～124 μm，金刚石颗粒尺寸0.22～0.82 mm。直接使用粗于124 μm的金属粉末和粗颗粒金刚石进行SLM成型试验，将可能导致金属材料熔化不完全、金刚石分散不均匀、金刚石的原始强度受到影响等问题，进而影响金属基金刚石复合材料的组织结构及性能，影响金刚石工具的性能和使用效果。

传统金属基金刚石复合材料可以使用单质金属粉末，也可以使用预合金粉末。SLM成型胎体金属材料优选应遵循2个基本原则：一是力求胎体材料组成简单，物理力学性能相近，有利于形成所需要的合金，优化SLM成型技术参数；二是与金刚石有较好的亲和性能，有利于胎体材料与金刚石表面实现冶金结合，提高金属基金刚石复合材料的力学性能与工作性能。理论分析与前期试验表明：采用传统方法成型复合材料时，为获取相同的胎体性能，需要多种类型金属粉末的配合使用，材料成分相对复杂，且金属成分的物性相差较大；采用SLM成型复合材料时，需要的金属材料种类简单，且多为预合金材料，从而有利于实现复合材料的性能设计要求。

在综合分析热压金刚石钻头胎体材料组成中各单质金属和预合金粉末的熔点及力学性能后，确定本试验使用的胎体金属材料为：湖南富栊新材料有限公司生产的FAM-201预合金粉(粒度尺寸124 μm，成分Fe60Cu30Sn10V微)和湖南省粉末冶金研究院星源公司生产的FJT-06型钎焊预合金粉(粒度124 μm，成分Cr5B3Si4Ni30Fe58)、FJT-A5预合金粉(粒度尺寸82 μm，成分Ni10Co10Cu40Sn9Fe31)。3种材料的主要成分均为Ni、Co、Fe、Cu和Sn金属，其中Ni、Co、Fe属于同族元素，对金刚石的亲和性好，有利于形成冶金结合；Cu、Sn元素与Ni、Co、Fe的熔合性好，极易形成合金，有利于提高复合材料的强度，达到提高复合材料性能的目的。此外，3种预合金粉材料中的Cu与Sn含量较高，其熔点较低，有利于降低SLM成型的温度，预防和减少可能出现的金刚石热损伤。

2 SLM成型工艺参数

3D打印成型过程中，SLM工艺参数非常重要。SLM激光选区的成型工艺参数可选范围越宽，则可供选择的配合与组合也越多，如何选择最佳配合工艺参数是影响3D打印成型效果的关键。激光功率越大，则对金属的熔化越快，合金化程度越高，但同时对金刚石的热损伤也更大。扫描速度表示激光在同一位置停留时间的长短，其对预合金粉的熔化效果会产生明显影响，如果长时间停留在金刚石颗粒上，将不可避免对金刚石造成热损伤。扫描间距表明激光对预合金粉和金刚石颗粒进行重复扫描的程度。在激光功率和扫描速度不变的条件下，扫描间距越小，激光对复合材料的影响越大。为确保SLM成型复合材料的质量，对铺粉厚度有较严格的控制，一般最大厚度不超过0.5 mm(相当于35/40金刚石的粒径，也是金刚石钻头中常用的粒度值)。铺粉越厚，表明金刚石的粒度可以相应增加，而同时也要求激光功率增大、扫描速度减慢和扫描间距变小，才能保证SLM成型的复合材料质量能满足设计要求。

本次试验与武汉华科三维科技有限公司合作，使用HKM250型3D打印设备，其SLM激光选区的成型工艺参数最终确定为：激光功率150～250 W，扫描速度200～1000 mm/s，扫描间距0.06～0.08 mm，铺粉厚度0.2～0.5 mm。

3 金刚石参数的选择

SLM成型金属基金刚石复合材料时，金刚石参数应该尽可能考虑和满足SLM成型技术参数的要求。

金刚石参数包括金刚石浓度、粒度、品级和形状。为探究适合SLM成型金属基金刚石复合材料的3D打印技术参数，并获得允许的金刚石最大粒度参数，试验使用SMD40型金刚石，其品级较高，晶形较完整，有利于抵御SLM高能激光束造成的热损伤。试验时铺粉厚度选择0.3 mm，考虑金刚石粒径与铺粉厚度基本相一致，选择70/80金刚石。通常金刚石工具中金刚石浓度不低于20%(400%浓度制)，本次试验选择的金刚石浓度为20%。

4 试验与结果分析

4.1 SLM成型试验

(1)金属基复合材料成型试验

为验证采用SLM技术成型金属基金刚石复合材料的可行性，首先以FAM-201型预合金粉和FJT-06型钎焊预合金粉为主体材料，开展了金属基复合材料SLM成型初步试验。成型的试样实物如图2所示，试样尺寸为8.5 mm×8.5 mm×15 mm。

图2 SLM成型的金属基复合材料试样

试验结果表明：基于常规FAM-201预合金粉和FJT-06型钎焊预合金粉，可利用SLM技术成型金属基复合材料。但是因为金属粉末粒度和试样高度偏大，所得试样的表面较粗糙，脆性较大。

(2)金属基金刚石复合材料成型试验

在初步试验的基础上，设定金刚石参数如下：金刚石粒度70/80，金刚石浓度20%。选择FJT-A5预合金粉，并根据其金属成分和粒度等物性特征，选择SLM激光成型试验参数如下：激光功率180～200 W，扫描速度700～900 mm/s，扫描间距0.07 mm，铺粉厚度0.3 mm。用SLM成型技术获得8个金属基金刚石复合材料，实物图如图3所示，试样尺寸为20 mm×20 mm×6 mm。

图3 SLM成型的金属基金刚石复合材料试样

4.2 微观组织结构分析

对SLM成型获得的金属基金刚石复合材料进行微观组织结构表征，获得的SEM照片如图4所示。图4a为2号试件的SEM照片，其SLM参数为：激光功率200 W、扫描速度700 mm/s。图4b为选择图4a照片中某一颗金刚石的SEM图片。图4的SEM分析表明：在较优的SLM成型技术参数条件下，金刚石颗粒在金属胎体中分布较为均匀，未被激光直接扫略过的金刚石颗粒仍然保持了较好的晶形和完整的晶面；SLM成型的金属基胎体对金刚石包镶紧密，在金刚石表面与合金粉末接触处存在浸润薄层，表明其结合为冶金方式，有利于保证金刚石的包镶强度。

(a)金刚石分布较均匀(b)金刚石的冶金结合图4 SLM成型金属基金刚石复合材料SEM照片

图5为金刚石热损伤形貌图。对图5中进行分析可知，SLM成型获得的金属基金刚石复合材料仍存在下述不足之处：(1)试样的致密度不够，复合材料内存在微孔隙，使得试样的整体力学性能偏低；(2)由于金属基金刚石复合材料在SLM成型过程中凝固速度快，温度梯度大，有可能使得金属胎体内残余应力较大，样品内产生微裂纹，从而可能影响复合材料的性能与使用寿命；(3)采用SLM成型金属基金刚石复合材料过程中，如果高能激光束点阵直接作用在金刚石颗粒上，会在金刚石表面留下较深的损伤坑(如图5a所示)。SLM成型技术和传统热压技术对金刚石颗粒造成的热损伤存在显著差别(传统热压法对金刚石表面的热侵蚀显微照片如图5b所示)，前者是局部的与微小的，后者是整个金刚石颗粒表面，影响的程度与性质有本质上的区别。

(a)SLM成型技术(b)传统热压技术图5 金刚石热损伤形貌图

5 结论

鉴于传统方法制造金属基金刚石复合材料及其工具存在的不足，开展了SLM成型金属基金刚石复合材料试验研究。理论分析与试验研究表明：SLM成型技术可用于设计与制造金属基金刚石复合材料，具有深入研究价值和广泛的应用前景。

(1)SEM测试表明：SLM成型获得的金属胎体与金刚石表面以冶金结合为主，可提高金刚石的结合强度，从而提高复合材料及金刚石工具的使用性能；但高能激光束也可能对金刚石颗粒造成较严重的热损伤。

(2)试验结果表明：SLM成型工艺参数对金属基金刚石复合材料性能有着重要影响。现阶段获得的试样内部仍存在较多的微空隙和微裂缝，需要进一步对SLM成型工艺参数、金刚石参数、金属粉末体系及其物性特征等进行不断深入研究。

(3)建议开展针对SLM成型金属基金刚石复合材料内应力的研究和有关避免金刚石热损伤的技术方法研究。

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