選區(qū)激光熔化制備金剛石/TC4復(fù)合材料的 成型工藝及性能分析

張俊濤　黃淼俊　胡子健　李 偉　趙 哲

摘要：針對金剛石/金屬基復(fù)合材料在金屬3D打印過程中致密化程度低的問題，采用了選區(qū)激光熔化技術(shù)成功制備金剛石/TC4復(fù)合材料，重點(diǎn)研究了金剛石/TC4復(fù)合材料的SLM打印工藝和性能。以提升金剛石/TC4復(fù)合材料致密度為目標(biāo)，通過響應(yīng)曲面分析法對SLM工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和分析，初步建立了致密度數(shù)學(xué)模型，并通過模型預(yù)測參數(shù)組合優(yōu)選值及最優(yōu)致密度，對最優(yōu)致密度成型件進(jìn)行了抗彎強(qiáng)度測試，這對后續(xù)采用金屬3D打印技術(shù)制備金剛石工具的有關(guān)研究具有重要的參考價值。

關(guān)鍵詞：選區(qū)激光熔化;增材制造;金剛石;復(fù)合材料;響應(yīng)曲面法

0? ? 引言

選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)是目前開發(fā)程度最高的3D打印技術(shù)之一，該技術(shù)可制備高致密度零件，適用于多種金屬材料，應(yīng)用范圍較廣，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益[1]。同時，SLM技術(shù)在金屬基復(fù)合材料中的應(yīng)用也是目前研發(fā)人員重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域之一。金剛石/金屬基復(fù)合材料的研發(fā)給金剛石材料3D打印提供了一種理想的思路，但SLM打印過程中金剛石與金屬之間的結(jié)合性差導(dǎo)致致密化程度低的問題，已成為金剛石/金屬基復(fù)合材料研發(fā)領(lǐng)域的一大瓶頸。近年來，科研人員開始對金剛石/金屬基復(fù)合材料3D打印進(jìn)行探究。Tian[2]等嘗試以金剛石/

AlSi10Mg金屬基復(fù)合材料為原材料，使用SLM技術(shù)制造金剛石砂輪，并對成型零件進(jìn)行了表面形貌、磨削性能、硬度、粗糙度等測試，與傳統(tǒng)電鍍法制造的砂輪進(jìn)行對比。Rahmani[3]等人選擇了鍍Ni層金剛石和Ti-6Al-4V金屬復(fù)合材料，采用SLM和SPS工藝進(jìn)行了3D打印實(shí)驗(yàn)，探究Ti-6Al-4V晶格尺寸、金剛石顆粒尺寸及鎳涂層厚度對其石墨化現(xiàn)象及耐磨性的影響。Gan[4]等采用SLM打印技術(shù)，制備了金剛石磨料/Cu-Sn-Ti合金復(fù)合材料，并對其進(jìn)行了模擬、實(shí)驗(yàn)和表征，獲得了合適的SLM工藝參數(shù)，探究了金剛石金屬基復(fù)合材料工具的性能。

基于研究現(xiàn)狀，選用金剛石/TC4復(fù)合材料進(jìn)行SLM打印實(shí)驗(yàn)，通過中心復(fù)合設(shè)計(jì)響應(yīng)曲面法對SLM工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和分析，初步建立了致密度數(shù)學(xué)模型，并通過模型進(jìn)行優(yōu)選值預(yù)測，獲得最優(yōu)致密度工藝參數(shù)。本研究對于后續(xù)采用金屬3D打印技術(shù)制備金剛石工具的有關(guān)研究具有重要的參考價值。

1? ? 實(shí)驗(yàn)

1.1? ? 原料及性能

本實(shí)驗(yàn)所用原料為柘城惠豐鉆石科技股份有限公司生產(chǎn)的金剛石超精細(xì)微粉（粉末粒徑為30～40 μm）以及廣東銀納科技有限公司生產(chǎn)的TC4粉體（粉末粒徑為15～45 μm）。采用PM4L型行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨，設(shè)定轉(zhuǎn)速為120 r/min，總時長為9 h，金剛石粉體與TC4粉體按照體積比1：9混合，并充入氬氣進(jìn)行保護(hù)。

1.2? ? SLM成型工藝及致密度優(yōu)化研究

本實(shí)驗(yàn)所使用的SLM打印設(shè)備為廣東工業(yè)大學(xué)和廣東漢邦激光科技有限公司聯(lián)合共同研發(fā)的SLM-100C型3D打印機(jī)，激光波長為1 064 nm，光斑直徑0.06 mm。本實(shí)驗(yàn)主要研究SLM工藝參數(shù)對打印成型件致密化的影響。設(shè)定打印件為5 mm×5 mm×5 mm的塊體，基于實(shí)驗(yàn)條件存在一定的局限性，本實(shí)驗(yàn)以激光功率（P）、掃描速度（v）、掃描間距（h）為主要研究對象，統(tǒng)一設(shè)定鋪粉層厚度為30 μm，基板預(yù)熱溫度為90 ℃，采用棋盤格激光掃描策略，以氬氣作為打印過程中的保護(hù)氣體，從而有效避免打印過程中粉體出現(xiàn)氧化現(xiàn)象。對于打印成型件，采用阿基米德排水法測定其致密度。

本實(shí)驗(yàn)通過使用Design Expert軟件，采用3因素5水平的中心復(fù)合設(shè)計(jì)響應(yīng)曲面法，以激光功率（P）、掃描速度（v）、掃描間距（h）為主要研究對象，研究打印工藝與成型件相對密度（Relative Density，RD）的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立相應(yīng)的致密度數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)模型擬合結(jié)果預(yù)測最優(yōu)致密度及相應(yīng)的工藝參數(shù)窗口，最終構(gòu)建金剛石/TC4復(fù)合材料打印件致密度的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，根據(jù)模型預(yù)測的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行SLM打印實(shí)驗(yàn)，對打印件進(jìn)行形貌和力學(xué)性能分析。

2? ? 結(jié)果與討論

2.1? ? 金剛石/TC4復(fù)合材料粉體形貌分析

圖1所示為金剛石/TC4復(fù)合材料粉體的SEM圖。由圖可見，粉體混合較為均勻，無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象，金剛石顆粒均勻分布在TC4粉末中，TC4粉末球形度較好，顆粒圓整，表面光滑，適用于SLM打印。

2.2? ? 響應(yīng)曲面分析法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及致密度數(shù)學(xué)模型

2.2.1? ? 響應(yīng)模型的建立

基于響應(yīng)曲面分析法進(jìn)行SLM打印工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，其中以激光功率（P）、掃描速度（v）、掃描間距（h）為自變量，以該參數(shù)下打印件測得實(shí)際相對密度（RD）為因變量，采用Design Expert軟件擬合出致密度ρ與SLM打印工藝參數(shù)的致密度數(shù)學(xué)模型如下：

ρ=-3.055 9+0.040 9P+0.001 9v+2.323 2h-

6.35×10-9Pv-0.006 5Ph-0.000 2vh-

0.000 1P2-6.322 1×10-8v2-11.849 1h2（1）

式中：P為激光功率;v為掃描速率;h為掃描間距。

2.2.2? ? 最優(yōu)參數(shù)預(yù)測及響應(yīng)曲面分析

根據(jù)該致密度數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化及結(jié)果預(yù)測，獲得最佳致密度的打印工藝參數(shù)窗口：激光功率164 W，掃描速度613 mm/s，掃描間距0.045 mm，對應(yīng)的最優(yōu)致密度預(yù)測值為95.10%。采用上述工藝參數(shù)組合進(jìn)行5組打印實(shí)驗(yàn)，測量并計(jì)算其致密度的算術(shù)平均值，并與模型的預(yù)測值進(jìn)行對比。最終測得的平均致密度為94.93%，與最優(yōu)致密度大小基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的有效性。

設(shè)定激光功率（P）、掃描速度（v）、掃描間距（h）中一個參數(shù)為定值，反映其他兩個參數(shù)對SLM打印件致密化行為的響應(yīng)曲面如圖2所示，響應(yīng)曲面的頂點(diǎn)對應(yīng)了相對密度的峰值?；谀Ｐ偷臄M合結(jié)果，打印件相對密度預(yù)測值和實(shí)際值的對比情況如圖3所示，通過對比可以看出，分散的數(shù)據(jù)點(diǎn)呈一條直線分布，斜率與預(yù)測值對應(yīng)的直線相近，表明相對密度的預(yù)測值與實(shí)際值兩者偏差很小，說明以上擬合結(jié)果符合實(shí)際要求，該數(shù)學(xué)模型具有較高可信度。

2.3? ? 成型件形貌與力學(xué)性能分析

2.3.1? ? 成型件的形貌分析

金剛石/TC4復(fù)合材料SLM打印成型件如圖4所示，其表面均呈銀色，部分打印件表面出現(xiàn)裂痕，上表面平整度較差。其原因是金剛石與TC4熔體的潤濕性較差，使成型過程中的熔體流動嚴(yán)重受阻，熔池受到金剛石的影響無法與下層基體完全結(jié)合。熔池的不穩(wěn)定導(dǎo)致成型過程中出現(xiàn)了微小球形顆粒，即球化現(xiàn)象的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致打印件的上表面粗糙不平。

選取最優(yōu)致密度的金剛石/TC4復(fù)合材料SLM打印件，對其斷面進(jìn)行形貌分析，得到SEM圖如圖5所示。圖5（a）展示了金剛石顆粒在TC4基體中的分布情況，金剛石顆粒分散相對均勻，鑲嵌在TC4基體中，保持了金剛石顆粒的完整性，但金剛石顆粒只是機(jī)械地嵌入TC4基體中，無法與TC4基體完全融合，導(dǎo)致金剛石顆粒表面與TC4基體界面處有明顯的間隙，表明金剛石與基體之間界面結(jié)合度較差，從而降低了成型件的致密度。圖5（b）展示了部分金剛石顆粒受到熱損傷的現(xiàn)象，金剛石顆粒表面由于激光束的直射受到了熱損傷而產(chǎn)生石墨化現(xiàn)象，在表面形成了黑色的燒蝕痕跡。如何避免激光束對金剛石顆粒的直射，減少金剛石顆粒受到的熱損傷與石墨化現(xiàn)象的發(fā)生，以確保金剛石在打印過程中保持完整性，提升金剛石/金屬基復(fù)合材料打印件的性能，是后續(xù)金剛石/金屬基復(fù)合材料SLM打印研究中的關(guān)鍵問題。

2.3.2? ? 成型件的力學(xué)性能分析

抗彎試驗(yàn)過程對樣品具有破壞性，因此采用上述最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行5組打印試驗(yàn)，并對打印成型件進(jìn)行三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)，測量其抗彎強(qiáng)度，記錄其應(yīng)力—位移曲線，結(jié)果如圖6所示。5組試驗(yàn)結(jié)果顯示打印件抗彎強(qiáng)度算術(shù)平均值為401.1 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為9.116，說明5組試驗(yàn)結(jié)果偏差不大，抗彎強(qiáng)度的測試結(jié)果具有一般可靠性。

3? ? 結(jié)論

（1）采用選區(qū)激光熔化成型技術(shù)制備金剛石/TC4復(fù)合材料打印件，通過響應(yīng)曲面分析法對SLM工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和分析，研究打印工藝參數(shù)激光功率（P）、掃描速度（v）、掃描間距（h）對致密度的影響，建立相應(yīng)的致密度數(shù)學(xué)模型：

ρ=-3.055 9+0.040 9P+0.001 9v+2.323 2h-

6.35×10-9Pv-0.006 5Ph-0.000 2vh-

0.000 1P2-6.322 1×10-8v2-11.849 1h2

（2）基于致密度數(shù)學(xué)模型優(yōu)化的結(jié)果，打印件最佳致密度工藝參數(shù)窗口為：激光功率164 W、掃描速度613 mm/s、掃描間距0.045 mm，預(yù)測最優(yōu)致密度為95.10%。采用該工藝參數(shù)組合的打印件抗彎強(qiáng)度為401.1 MPa。

（3）金剛石/TC4復(fù)合材料SLM打印過程中，由于金剛石顆粒與TC4基體無法得到充分潤濕，金剛石顆粒的存在阻礙了熔池的流動性，金剛石與TC4基體之間存在間隙;激光能量的輸入對金剛石顆粒造成了熱損傷，導(dǎo)致金剛石顆粒局部石墨化現(xiàn)象的產(chǎn)生，影響了打印成型件的致密化。

[參考文獻(xiàn)]

[1] YAP C Y，CUHA C K，DONG Z L，et al.Review of selective laser melting：Materials and applications[J].Applied Physics Reviews，2015，2（4）：041101.

[2] TIAN C C，LI X K，CHEN Z Y，et al.Study on formabi-

lity，mechanical property and finite element modeling of 3D-printed composite for metal-bonded diamond grinding wheel application[J]. Journal of Manufacturing Processes，2020，54：38-47.

[3] RAHMANI R，ANTONOV M，KOLLO L.Wear Resistance of （Diamond-Ni）-Ti6Al4V Gradient Materials Prepared by Combined Selective Laser Melting and Spark Plasma Sintering Techniques[J]. Advances in Tribology，2019（1）：1-12.

[4] GAN J，GAO H，WEN S F，et al.Simulation，forming process and mechanical property of Cu-Sn-Ti/

diamond composites fabricated by selective laser melting[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2020，87：105144.