3D打印金屬基金剛石復(fù)合材料的試驗研究

楊 展， 譚松成， 楊凱華

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 機電與電子信息學(xué)院， 武漢 430074)(2. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院， 武漢 430074)

金屬基金剛石復(fù)合材料是各種金剛石工具的基礎(chǔ)。我國制造金屬基金剛石復(fù)合材料及其工具的傳統(tǒng)方法以熱壓燒結(jié)法、無壓浸漬法和高溫釬焊法為主[1]。為獲得理想的材料性能，同一個胎體配方中往往包含多種金屬粉末材料，而不同金屬材料的硬度、比重、熔點和粒度等物理力學(xué)性能相差懸殊。如在高溫?zé)Y(jié)過程中，胎體配方中的WC和YG8等處于固相狀態(tài)，Ni、Co和Fe等金屬則處于熱塑變狀態(tài)，只有黏結(jié)金屬如663-Cu和CuSn10等處于液相狀態(tài)。因此，高溫?zé)Y(jié)法獲得的金屬基復(fù)合材料雖然也屬于合金范疇，但與熔煉后形成的合金具有本質(zhì)區(qū)別，導(dǎo)致高溫?zé)Y(jié)胎體與金剛石表面屬于機械包鑲結(jié)合[2-3]，金剛石有效出刃高度小，胎體金屬在高溫條件下易對金剛石造成熱損傷[4]，以及金屬基復(fù)合材料金剛石工具性能調(diào)節(jié)困難等不足。

以熱壓金屬結(jié)合劑金剛石鉆頭為例，為提高鉆頭的使用性能，除了深入研究金屬復(fù)合材料與所鉆對象的適應(yīng)性之外，還需要對鉆頭結(jié)構(gòu)進行不斷創(chuàng)新[5-7]。圖1為具有特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金剛石鉆頭切削齒示意圖。理論分析與現(xiàn)場實踐表明[8-9]：分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)(圖1a、1b所示)和柱狀助磨體結(jié)構(gòu)(圖1c所示)的金剛石鉆頭能達到更高的機械鉆速。然而，傳統(tǒng)熱壓燒結(jié)方法難以實現(xiàn)自動裝模，靠人工裝模不僅生產(chǎn)效率低下，而且裝模質(zhì)量不穩(wěn)定，直接影響鉆頭質(zhì)量。

(a)(b)(c)1—工作層,2—助磨層/體圖1 具有特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金剛石鉆頭切削齒示意圖

近年來，3D打印技術(shù)已成為一種新型熱門制造技術(shù)，它使用多種原材料成型制造具有不同力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特征的零部件[10-11]。激光選區(qū)熔化(selective laser melting, SLM)金屬3D打印技術(shù)是其中之一。它使用光纖激光器進行SLM成型，具有能量密度高、光斑細(xì)小、成型精度高和冷卻速度快等特點[12-14]。其中，所使用的高能量激光可以將金屬粉末完全熔化，使成型的產(chǎn)品具有合金化程度高、力學(xué)強度高和性能更穩(wěn)定等特點。此外，該技術(shù)將復(fù)雜的三維加工轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚亩S加工，使成型精密和具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件制造更加便捷。

因此，SLM成型技術(shù)可為金屬基金剛石復(fù)合材料及工具的設(shè)計制造提供新的發(fā)展契機。本研究通過理論分析和SLM成型試驗，確定采用SLM技術(shù)成型金屬基金剛石復(fù)合材料與金剛石工具的可行性，并探索新技術(shù)研究應(yīng)用過程中存在的科學(xué)和技術(shù)問題，為SLM技術(shù)成功應(yīng)用于金剛石工具制造領(lǐng)域提供參考。

1 SLM成型用金屬粉末材料

SLM成型技術(shù)對粉末材料的粒度、形貌與物性等有一定的要求，如金屬粉末粒度尺寸應(yīng)為40～50 μm。而傳統(tǒng)熱壓燒結(jié)法使用的金屬粉末尺寸通常為82～124 μm，金剛石顆粒尺寸0.22～0.82 mm。直接使用粗于124 μm的金屬粉末和粗顆粒金剛石進行SLM成型試驗，將可能導(dǎo)致金屬材料熔化不完全、金剛石分散不均勻、金剛石的原始強度受到影響等問題，進而影響金屬基金剛石復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)及性能，影響金剛石工具的性能和使用效果。

傳統(tǒng)金屬基金剛石復(fù)合材料可以使用單質(zhì)金屬粉末，也可以使用預(yù)合金粉末。SLM成型胎體金屬材料優(yōu)選應(yīng)遵循2個基本原則：一是力求胎體材料組成簡單，物理力學(xué)性能相近，有利于形成所需要的合金，優(yōu)化SLM成型技術(shù)參數(shù)；二是與金剛石有較好的親和性能，有利于胎體材料與金剛石表面實現(xiàn)冶金結(jié)合，提高金屬基金剛石復(fù)合材料的力學(xué)性能與工作性能。理論分析與前期試驗表明：采用傳統(tǒng)方法成型復(fù)合材料時，為獲取相同的胎體性能，需要多種類型金屬粉末的配合使用，材料成分相對復(fù)雜，且金屬成分的物性相差較大；采用SLM成型復(fù)合材料時，需要的金屬材料種類簡單，且多為預(yù)合金材料，從而有利于實現(xiàn)復(fù)合材料的性能設(shè)計要求。

在綜合分析熱壓金剛石鉆頭胎體材料組成中各單質(zhì)金屬和預(yù)合金粉末的熔點及力學(xué)性能后，確定本試驗使用的胎體金屬材料為：湖南富櫳新材料有限公司生產(chǎn)的FAM-201預(yù)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產(chǎn)的FJT-06型釬焊預(yù)合金粉(粒度124 μm，成分Cr5B3Si4Ni30Fe58)、FJT-A5預(yù)合金粉(粒度尺寸82 μm，成分Ni10Co10Cu40Sn9Fe31)。3種材料的主要成分均為Ni、Co、Fe、Cu和Sn金屬，其中Ni、Co、Fe屬于同族元素，對金剛石的親和性好，有利于形成冶金結(jié)合；Cu、Sn元素與Ni、Co、Fe的熔合性好，極易形成合金，有利于提高復(fù)合材料的強度，達到提高復(fù)合材料性能的目的。此外，3種預(yù)合金粉材料中的Cu與Sn含量較高，其熔點較低，有利于降低SLM成型的溫度，預(yù)防和減少可能出現(xiàn)的金剛石熱損傷。

2 SLM成型工藝參數(shù)

3D打印成型過程中，SLM工藝參數(shù)非常重要。SLM激光選區(qū)的成型工藝參數(shù)可選范圍越寬，則可供選擇的配合與組合也越多，如何選擇最佳配合工藝參數(shù)是影響3D打印成型效果的關(guān)鍵。激光功率越大，則對金屬的熔化越快，合金化程度越高，但同時對金剛石的熱損傷也更大。掃描速度表示激光在同一位置停留時間的長短，其對預(yù)合金粉的熔化效果會產(chǎn)生明顯影響，如果長時間停留在金剛石顆粒上，將不可避免對金剛石造成熱損傷。掃描間距表明激光對預(yù)合金粉和金剛石顆粒進行重復(fù)掃描的程度。在激光功率和掃描速度不變的條件下，掃描間距越小，激光對復(fù)合材料的影響越大。為確保SLM成型復(fù)合材料的質(zhì)量，對鋪粉厚度有較嚴(yán)格的控制，一般最大厚度不超過0.5 mm(相當(dāng)于35/40金剛石的粒徑，也是金剛石鉆頭中常用的粒度值)。鋪粉越厚，表明金剛石的粒度可以相應(yīng)增加，而同時也要求激光功率增大、掃描速度減慢和掃描間距變小，才能保證SLM成型的復(fù)合材料質(zhì)量能滿足設(shè)計要求。

本次試驗與武漢華科三維科技有限公司合作，使用HKM250型3D打印設(shè)備，其SLM激光選區(qū)的成型工藝參數(shù)最終確定為：激光功率150～250 W，掃描速度200～1000 mm/s，掃描間距0.06～0.08 mm，鋪粉厚度0.2～0.5 mm。

3 金剛石參數(shù)的選擇

SLM成型金屬基金剛石復(fù)合材料時，金剛石參數(shù)應(yīng)該盡可能考慮和滿足SLM成型技術(shù)參數(shù)的要求。

金剛石參數(shù)包括金剛石濃度、粒度、品級和形狀。為探究適合SLM成型金屬基金剛石復(fù)合材料的3D打印技術(shù)參數(shù)，并獲得允許的金剛石最大粒度參數(shù)，試驗使用SMD40型金剛石，其品級較高，晶形較完整，有利于抵御SLM高能激光束造成的熱損傷。試驗時鋪粉厚度選擇0.3 mm，考慮金剛石粒徑與鋪粉厚度基本相一致，選擇70/80金剛石。通常金剛石工具中金剛石濃度不低于20%(400%濃度制)，本次試驗選擇的金剛石濃度為20%。

4 試驗與結(jié)果分析

4.1 SLM成型試驗

(1)金屬基復(fù)合材料成型試驗

為驗證采用SLM技術(shù)成型金屬基金剛石復(fù)合材料的可行性，首先以FAM-201型預(yù)合金粉和FJT-06型釬焊預(yù)合金粉為主體材料，開展了金屬基復(fù)合材料SLM成型初步試驗。成型的試樣實物如圖2所示，試樣尺寸為8.5 mm×8.5 mm×15 mm。

圖2 SLM成型的金屬基復(fù)合材料試樣

試驗結(jié)果表明：基于常規(guī)FAM-201預(yù)合金粉和FJT-06型釬焊預(yù)合金粉，可利用SLM技術(shù)成型金屬基復(fù)合材料。但是因為金屬粉末粒度和試樣高度偏大，所得試樣的表面較粗糙，脆性較大。

(2)金屬基金剛石復(fù)合材料成型試驗

在初步試驗的基礎(chǔ)上，設(shè)定金剛石參數(shù)如下：金剛石粒度70/80，金剛石濃度20%。選擇FJT-A5預(yù)合金粉，并根據(jù)其金屬成分和粒度等物性特征，選擇SLM激光成型試驗參數(shù)如下：激光功率180～200 W，掃描速度700～900 mm/s，掃描間距0.07 mm，鋪粉厚度0.3 mm。用SLM成型技術(shù)獲得8個金屬基金剛石復(fù)合材料，實物圖如圖3所示，試樣尺寸為20 mm×20 mm×6 mm。

圖3 SLM成型的金屬基金剛石復(fù)合材料試樣

4.2 微觀組織結(jié)構(gòu)分析

對SLM成型獲得的金屬基金剛石復(fù)合材料進行微觀組織結(jié)構(gòu)表征，獲得的SEM照片如圖4所示。圖4a為2號試件的SEM照片，其SLM參數(shù)為：激光功率200 W、掃描速度700 mm/s。圖4b為選擇圖4a照片中某一顆金剛石的SEM圖片。圖4的SEM分析表明：在較優(yōu)的SLM成型技術(shù)參數(shù)條件下，金剛石顆粒在金屬胎體中分布較為均勻，未被激光直接掃略過的金剛石顆粒仍然保持了較好的晶形和完整的晶面；SLM成型的金屬基胎體對金剛石包鑲緊密，在金剛石表面與合金粉末接觸處存在浸潤薄層，表明其結(jié)合為冶金方式，有利于保證金剛石的包鑲強度。

(a)金剛石分布較均勻(b)金剛石的冶金結(jié)合圖4 SLM成型金屬基金剛石復(fù)合材料SEM照片

圖5為金剛石熱損傷形貌圖。對圖5中進行分析可知，SLM成型獲得的金屬基金剛石復(fù)合材料仍存在下述不足之處：(1)試樣的致密度不夠，復(fù)合材料內(nèi)存在微孔隙，使得試樣的整體力學(xué)性能偏低；(2)由于金屬基金剛石復(fù)合材料在SLM成型過程中凝固速度快，溫度梯度大，有可能使得金屬胎體內(nèi)殘余應(yīng)力較大，樣品內(nèi)產(chǎn)生微裂紋，從而可能影響復(fù)合材料的性能與使用壽命；(3)采用SLM成型金屬基金剛石復(fù)合材料過程中，如果高能激光束點陣直接作用在金剛石顆粒上，會在金剛石表面留下較深的損傷坑(如圖5a所示)。SLM成型技術(shù)和傳統(tǒng)熱壓技術(shù)對金剛石顆粒造成的熱損傷存在顯著差別(傳統(tǒng)熱壓法對金剛石表面的熱侵蝕顯微照片如圖5b所示)，前者是局部的與微小的，后者是整個金剛石顆粒表面，影響的程度與性質(zhì)有本質(zhì)上的區(qū)別。

(a)SLM成型技術(shù)(b)傳統(tǒng)熱壓技術(shù)圖5 金剛石熱損傷形貌圖

5 結(jié)論

鑒于傳統(tǒng)方法制造金屬基金剛石復(fù)合材料及其工具存在的不足，開展了SLM成型金屬基金剛石復(fù)合材料試驗研究。理論分析與試驗研究表明：SLM成型技術(shù)可用于設(shè)計與制造金屬基金剛石復(fù)合材料，具有深入研究價值和廣泛的應(yīng)用前景。

(1)SEM測試表明：SLM成型獲得的金屬胎體與金剛石表面以冶金結(jié)合為主，可提高金剛石的結(jié)合強度，從而提高復(fù)合材料及金剛石工具的使用性能；但高能激光束也可能對金剛石顆粒造成較嚴(yán)重的熱損傷。

(2)試驗結(jié)果表明：SLM成型工藝參數(shù)對金屬基金剛石復(fù)合材料性能有著重要影響。現(xiàn)階段獲得的試樣內(nèi)部仍存在較多的微空隙和微裂縫，需要進一步對SLM成型工藝參數(shù)、金剛石參數(shù)、金屬粉末體系及其物性特征等進行不斷深入研究。

(3)建議開展針對SLM成型金屬基金剛石復(fù)合材料內(nèi)應(yīng)力的研究和有關(guān)避免金剛石熱損傷的技術(shù)方法研究。

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