1、研究背景

       超硬工具制品在硬、脆等難加工材料的精密、高效、節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(ying)(ying)工(gong)(gong)(gong)具(ju)的(de)(de)(de)(de)(de)總量80%以(yi)上(shang)。我國(guo)(guo)(guo)(guo)合成(cheng)(cheng)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)顆(ke)粒總產(chan)量占世界(jie)(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)95%以(yi)上(shang)，原(yuan)料品質(zhi)已達到(dao)國(guo)(guo)(guo)(guo)際先進水平(ping)。然(ran)而(er)，我國(guo)(guo)(guo)(guo)高(gao)端(duan)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)工(gong)(gong)(gong)具(ju)制(zhi)品仍然(ran)不能(neng)(neng)(neng)(neng)完全滿足高(gao)精密(mi)、長(chang)壽命等(deng)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)要求。當(dang)前金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)復(fu)(fu)合材(cai)(cai)(cai)料領(ling)域(yu)的(de)(de)(de)(de)(de)主要技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)瓶頸在于(yu)：工(gong)(gong)(gong)具(ju)制(zhi)品結(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)-功能(neng)(neng)(neng)(neng)一(yi)(yi)體化(hua)設(she)計(ji)與(yu)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)亟待提升(sheng)(sheng)，現有結(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)形(xing)(xing)(xing)狀(zhuang)較(jiao)簡(jian)單、加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)效率低，缺(que)少如多孔體、內(nei)(nei)流道等(deng)復(fu)(fu)雜形(xing)(xing)(xing)狀(zhuang)結(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)，金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)磨粒有序(xu)排布、材(cai)(cai)(cai)料成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)梯(ti)度分(fen)(fen)布等(deng)特殊微結(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)，以(yi)提升(sheng)(sheng)容屑、冷卻、緩解應(ying)力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)功能(neng)(neng)(neng)(neng)。結(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)-功能(neng)(neng)(neng)(neng)一(yi)(yi)體化(hua)是(shi)提高(gao)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)工(gong)(gong)(gong)具(ju)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)性能(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)重大(da)發(fa)展方(fang)向。增(zeng)材(cai)(cai)(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)從原(yuan)理(li)上(shang)突破了(le)傳統構(gou)(gou)(gou)件的(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)設(she)計(ji)和(he)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)模(mo)式(shi)，能(neng)(neng)(neng)(neng)夠實現復(fu)(fu)雜形(xing)(xing)(xing)狀(zhuang)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)工(gong)(gong)(gong)具(ju)精密(mi)成(cheng)(cheng)。加(jia)(jia)強高(gao)性能(neng)(neng)(neng)(neng)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)工(gong)(gong)(gong)具(ju)制(zhi)品增(zeng)材(cai)(cai)(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)發(fa)，推動金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)行(xing)業技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)升(sheng)(sheng)級和(he)結(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)調整，是(shi)支撐(cheng)國(guo)(guo)(guo)(guo)家發(fa)展戰略順利實施的(de)(de)(de)(de)(de)重大(da)任務。激光(guang)增(zeng)材(cai)(cai)(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)是(shi)增(zeng)材(cai)(cai)(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)中(zhong)(zhong)最具(ju)代表性的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)類(lei)，在增(zeng)材(cai)(cai)(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)領(ling)域(yu)扮演著重要的(de)(de)(de)(de)(de)角色。近(jin)年來，國(guo)(guo)(guo)(guo)內(nei)(nei)外學(xue)者(zhe)及研(yan)究機(ji)構(gou)(gou)(gou)圍繞金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)屬基金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)復(fu)(fu)合材(cai)(cai)(cai)料激光(guang)增(zeng)材(cai)(cai)(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)方(fang)向開展了(le)較(jiao)為(wei)豐富的(de)(de)(de)(de)(de)探索(suo)性研(yan)究工(gong)(gong)(gong)作(zuo)，并取得了(le)一(yi)(yi)系列成(cheng)(cheng)果。目(mu)前的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究熱點主要圍繞內(nei)(nei)結(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)成(cheng)(cheng)形(xing)(xing)(xing)、工(gong)(gong)(gong)藝(yi)參數優(you)化(hua)、界(jie)(jie)面(mian)組織結(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)演化(hua)以(yi)及基礎力(li)學(xue)性能(neng)(neng)(neng)(neng)評價(jia)等(deng)方(fang)面(mian)展開。然(ran)而(er)，在激光(guang)增(zeng)材(cai)(cai)(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)過程中(zhong)(zhong)，金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)極易受到(dao)激光(guang)直接輻照(zhao)和(he)熔(rong)池瞬時高(gao)溫的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響而(er)造(zao)(zao)(zao)成(cheng)(cheng)熱損傷。因(yin)此(ci)，金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)熱損傷控制(zhi)是(shi)激光(guang)增(zeng)材(cai)(cai)(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)能(neng)(neng)(neng)(neng)否廣泛應(ying)用(yong)于(yu)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)超硬(ying)(ying)復(fu)(fu)合材(cai)(cai)(cai)料制(zhi)備的(de)(de)(de)(de)(de)先決條(tiao)件和(he)關鍵因(yin)素。有部分(fen)(fen)研(yan)究表明(ming)，激光(guang)增(zeng)材(cai)(cai)(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)會(hui)導致金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)出現熱損傷，主要形(xing)(xing)(xing)式(shi)為(wei)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)磨粒表面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)墨(mo)化(hua)轉(zhuan)變(bian)。過度的(de)(de)(de)(de)(de)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)墨(mo)化(hua)轉(zhuan)變(bian)將嚴重影(ying)響金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)顆(ke)粒強度及復(fu)(fu)合材(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)綜合力(li)學(xue)性能(neng)(neng)(neng)(neng)。但是(shi)截止目(mu)前，金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)磨粒在激光(guang)增(zeng)材(cai)(cai)(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)熱演化(hua)過程，以(yi)及誘導金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)表面(mian)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)墨(mo)化(hua)轉(zhuan)變(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)主要原(yuan)因(yin)與(yu)機(ji)理(li)卻鮮有報道。

       2、文章概述

       基于上述背景，來自中南大學粉末冶(ye)金(jin)(jin)(jin)國(guo)(guo)家重(zhong)點實驗(yan)室、河南黃河旋風股份有限公司等單(dan)位的(de)學(xue)者，圍(wei)繞高能(neng)激光(guang)束和(he)高溫熔(rong)(rong)池(chi)兩個影響打(da)印過(guo)(guo)程(cheng)中金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石石墨化行為(wei)的(de)關(guan)(guan)鍵因素(su)，選取典型的(de)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石工(gong)具(ju)用金(jin)(jin)(jin)屬結(jie)合劑CuSn10粉末，采用粉末床熔(rong)(rong)融(rong)（Powder bed fusion- laser beam，PBF-LB）技術制備了CuSn10-金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石復(fu)合材料。研(yan)究(jiu)人(ren)員利用ANSYS有限元(yuan)模擬軟件，首次重(zhong)現了PBF-LB過(guo)(guo)程(cheng)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石磨粒的(de)熱演化過(guo)(guo)程(cheng)，并結(jie)合實驗(yan)驗(yan)證了該過(guo)(guo)程(cheng)中石墨化轉變(bian)的(de)溫度(du)閾(yu)值，建(jian)了“PBF-LB工(gong)藝-磨粒溫度(du)-石墨化程(cheng)度(du)-力(li)學(xue)性能(neng)”的(de)定量(liang)關(guan)(guan)系模型，該研(yan)究(jiu)為(wei)金(jin)(jin)(jin)屬基金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石復(fu)合材料的(de)激光(guang)增材制造工(gong)藝設計與結(jie)構-性能(neng)相(xiang)關(guan)(guan)性預測提供(gong)了一個很(hen)好(hao)的(de)策略(lve)和(he)路徑。相(xiang)關(guan)(guan)成果以題為(wei)“Quantitative investigation of thermal evolution and graphitization of diamond abrasives in powder bed fusion- laser beam of metal-matrix diamond composites”發(fa)表在國(guo)(guo)際著名期刊(kan)virtual and physical prototyping（IF=10.962）上。

       該論(lun)文共同第一作(zuo)者為馬青原、彭(peng)英博，第一完成單位為中(zhong)(zhong)南(nan)大(da)學(xue)(xue)，通(tong)訊作(zuo)者為中(zhong)(zhong)南(nan)大(da)學(xue)(xue)張偉副研(yan)(yan)究(jiu)員(yuan)。該項研(yan)(yan)究(jiu)得到了國家重點研(yan)(yan)發(fa)(fa)(fa)計(ji)劃項目(mu)、國家自然(ran)科學(xue)(xue)基(ji)金(jin)區域(yu)(yu)創新發(fa)(fa)(fa)展(zhan)聯合基(ji)金(jin)項目(mu)、湖南(nan)省自然(ran)科學(xue)(xue)基(ji)金(jin)的(de)支持。據悉(xi)，論(lun)文作(zuo)者團隊主要來自中(zhong)(zhong)南(nan)大(da)學(xue)(xue)劉詠教(jiao)授課題(ti)組(zu)和黃河旋風股份有限公(gong)司研(yan)(yan)發(fa)(fa)(fa)中(zhong)(zhong)心。近年(nian)來，合作(zuo)雙(shuang)方(fang)致力于超硬(ying)復合材(cai)料(liao)(liao)領域(yu)(yu)高熵合金(jin)粘結(jie)相材(cai)料(liao)(liao)及異(yi)質界面結(jie)構設計(ji)與強韌化(hua)調控、新型增材(cai)制造(zao)及涂層技(ji)術的(de)研(yan)(yan)發(fa)(fa)(fa)，在國內外權威期(qi)刊已發(fa)(fa)(fa)表多項成果

【DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2019.105109】

【DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.157023】

【DOI: 10.1016/j.matdes.2022.110522】

       3、研究亮點

       以單(dan)顆(ke)金剛(gang)石磨(mo)粒為(wei)研究對象，通(tong)過(guo)有限元模(mo)擬分析構建了金剛(gang)石磨(mo)粒的溫度場模(mo)型，反映了金剛(gang)石磨(mo)粒在PBF-LB中的熱演化過(guo)程。

   ;    闡明了PBF-LB過程金剛石的(de)熱(re)損傷機制，金剛石發生石墨化(hua)轉變(bian)并非是由激(ji)光的(de)直接輻照造成的(de)，而是由高溫熔池(chi)的(de)熱(re)影響導致(zhi)。

       建(jian)立(li)了“PBF-LB工藝-金剛石(shi)磨粒溫度(du)-石(shi)墨(mo)化程度(du)-摩擦磨損性(xing)能(neng)”的定量關系。

       4、圖文導讀

       5、結論

       在金剛石超硬復合材料的激光增材制造中，金剛石和粉末材料參數以及激光工藝參數是影響其成形質量的主要因素。金剛石具有優良的導熱性能，它會改變合金熔體的局部導熱能力和溫度分布，從而影響熔池形態、金剛石附近的微觀組織和成形質量。此外，由于金剛石高溫熱穩定性較差，當與高溫熔池接觸時，容易發生氧化、石墨化、化學侵蝕等熱損傷。因此，建立一個定量關系來準確評價金剛石磨料的(de)(de)(de)(de)熱損(sun)(sun)(sun)(sun)傷行為及其相關(guan)的(de)(de)(de)(de)微(wei)觀(guan)組織(zhi)-性能(neng)(neng)(neng)特征，為工藝參數(shu)與(yu)成形之間的(de)(de)(de)(de)關(guan)系提供基(ji)礎支撐，是極其重要的(de)(de)(de)(de)。研(yan)究發(fa)現：(1)熔池(chi)移動進程(cheng)中金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)磨(mo)(mo)粒溫度(du)呈現兩個峰(feng)值，分別對應金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)磨(mo)(mo)粒與(yu)熔池(chi)部分接觸和完全浸入熔池(chi)時刻。此外，不能(neng)(neng)(neng)簡單地(di)基(ji)于(yu)激(ji)(ji)光(guang)能(neng)(neng)(neng)量密度(du)來評價金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)狀態，激(ji)(ji)光(guang)能(neng)(neng)(neng)量密度(du)與(yu)熔池(chi)（金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)磨(mo)(mo)粒）溫度(du)并非呈線性關(guan)系。(2)PBF-LB激(ji)(ji)光(guang)能(neng)(neng)(neng)量輸入遠小于(yu)金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)石(shi)(shi)墨化的(de)(de)(de)(de)理論燒蝕閾值，因此金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)石(shi)(shi)墨化不是激(ji)(ji)光(guang)直接照射引起的(de)(de)(de)(de)，而是高(gao)溫熔池(chi)的(de)(de)(de)(de)熱效應所致。CuSn10 -金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)復合材料(liao)在(zai)PBF-LB過程(cheng)中石(shi)(shi)墨化的(de)(de)(de)(de)臨(lin)界(jie)溫度(du)為1491.6℃。(3)復合材料(liao)的(de)(de)(de)(de)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)性能(neng)(neng)(neng)隨(sui)石(shi)(shi)墨化程(cheng)度(du)的(de)(de)(de)(de)增加(jia)(jia)而降低，摩擦系數(shu)由(you)0.62增加(jia)(jia)到0.75，磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)深度(du)由(you)97.16μm增加(jia)(jia)到118.29μm。磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)機(ji)理隨(sui)石(shi)(shi)墨化程(cheng)度(du)的(de)(de)(de)(de)增加(jia)(jia)呈現磨(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)→粘著磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)/磨(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)→三體磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)/粘著磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)的(de)(de)(de)(de)顯(xian)著變化。

       6、展望與未來

       增材(cai)制(zhi)造技術(shu)從原理上突破了傳統構件的(de)(de)(de)結構設計和(he)制(zhi)造模式，能夠實(shi)(shi)現復雜形狀(zhuang)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)工(gong)(gong)具制(zhi)品(pin)精(jing)密成形。通過增材(cai)制(zhi)造技術(shu)的(de)(de)(de)不斷創新，實(shi)(shi)現復雜形狀(zhuang)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)制(zhi)品(pin)的(de)(de)(de)制(zhi)備和(he)高(gao)性能化(hua)，有效解決(jue)復雜結構金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)超(chao)硬材(cai)料制(zhi)品(pin)效率低(di)、精(jing)度差(cha)、服役壽命短(duan)、加(jia)工(gong)(gong)難(nan)度大的(de)(de)(de)難(nan)題，大幅提升金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)復合材(cai)料工(gong)(gong)具制(zhi)造對(dui)重大加(jia)工(gong)(gong)需求(qiu)的(de)(de)(de)靈(ling)活設計、快速(su)反應和(he)生產(chan)能力(li)，降(jiang)低(di)研發成本(ben)，縮短(duan)制(zhi)造流程(cheng)和(he)周期，提高(gao)產(chan)品(pin)服役性能，從而(er)加(jia)快改變我(wo)國(guo)高(gao)端(duan)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)超(chao)硬制(zhi)品(pin)長期依賴(lai)進口的(de)(de)(de)被動局面，提升我(wo)國(guo)高(gao)性能金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)制(zhi)品(pin)的(de)(de)(de)研發能力(li)，支撐高(gao)端(duan)制(zhi)造業(ye)和(he)相關(guan)產(chan)業(ye)的(de)(de)(de)發展，解決(jue)國(guo)民經濟(ji)和(he)國(guo)防建設的(de)(de)(de)重要需求(qiu)。