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(zhan)超(chao)硬(ying)(ying)工(gong)(gong)具(ju)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)總量(liang)80%以(yi)(yi)上(shang)。我國合成(cheng)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)顆(ke)粒總產量(liang)占(zhan)世(shi)界的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)95%以(yi)(yi)上(shang)，原(yuan)料(liao)(liao)品(pin)質已達(da)到國際先(xian)進水(shui)平(ping)。然而，我國高端金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)工(gong)(gong)具(ju)制(zhi)(zhi)(zhi)品(pin)仍然不(bu)能(neng)完全滿足高精(jing)密、長壽命等(deng)加工(gong)(gong)要(yao)求。當前金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)復合材(cai)(cai)料(liao)(liao)領(ling)域的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)技(ji)術(shu)瓶頸在(zai)于：工(gong)(gong)具(ju)制(zhi)(zhi)(zhi)品(pin)結構(gou)(gou)-功能(neng)一(yi)體(ti)化(hua)(hua)(hua)設計與制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)技(ji)術(shu)亟待提(ti)升，現有(you)(you)結構(gou)(gou)形狀較簡(jian)單、加工(gong)(gong)效率(lv)低(di)，缺(que)少(shao)如(ru)多(duo)孔體(ti)、內(nei)流(liu)道(dao)等(deng)復雜(za)形狀結構(gou)(gou)，金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)磨(mo)(mo)粒有(you)(you)序排布(bu)、材(cai)(cai)料(liao)(liao)成(cheng)分梯度(du)(du)分布(bu)等(deng)特(te)殊微結構(gou)(gou)，以(yi)(yi)提(ti)升容屑、冷卻(que)、緩(huan)解應力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)功能(neng)。結構(gou)(gou)-功能(neng)一(yi)體(ti)化(hua)(hua)(hua)是提(ti)高金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)工(gong)(gong)具(ju)加工(gong)(gong)性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)重(zhong)(zhong)大(da)發(fa)展方向。增(zeng)(zeng)(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)技(ji)術(shu)從原(yuan)理上(shang)突破了傳統構(gou)(gou)件的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)結構(gou)(gou)設計和制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)模式(shi)，能(neng)夠實(shi)現復雜(za)形狀金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)工(gong)(gong)具(ju)精(jing)密成(cheng)。加強高性(xing)能(neng)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)工(gong)(gong)具(ju)制(zhi)(zhi)(zhi)品(pin)增(zeng)(zeng)(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)發(fa)，推動金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)行業技(ji)術(shu)升級和結構(gou)(gou)調整，是支撐國家發(fa)展戰略(lve)順利(li)實(shi)施(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)重(zhong)(zhong)大(da)任務。激(ji)光(guang)增(zeng)(zeng)(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)技(ji)術(shu)是增(zeng)(zeng)(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)技(ji)術(shu)中最具(ju)代表(biao)性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)類，在(zai)增(zeng)(zeng)(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)技(ji)術(shu)領(ling)域扮演(yan)著重(zhong)(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)角色。近(jin)年來(lai)，國內(nei)外學(xue)者及研(yan)(yan)究(jiu)機構(gou)(gou)圍(wei)繞(rao)(rao)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)屬基金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)復合材(cai)(cai)料(liao)(liao)激(ji)光(guang)增(zeng)(zeng)(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)方向開展了較為(wei)豐富的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)探索(suo)性(xing)研(yan)(yan)究(jiu)工(gong)(gong)作，并(bing)取得了一(yi)系列(lie)成(cheng)果。目前的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)熱(re)(re)(re)點主(zhu)要(yao)圍(wei)繞(rao)(rao)內(nei)結構(gou)(gou)成(cheng)形、工(gong)(gong)藝參數(shu)優化(hua)(hua)(hua)、界面(mian)組織結構(gou)(gou)演(yan)化(hua)(hua)(hua)以(yi)(yi)及基礎力(li)(li)學(xue)性(xing)能(neng)評(ping)價(jia)等(deng)方面(mian)展開。然而，在(zai)激(ji)光(guang)增(zeng)(zeng)(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)過程中，金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)極易受到激(ji)光(guang)直接輻照和熔池(chi)瞬時高溫的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響而造(zao)(zao)成(cheng)熱(re)(re)(re)損(sun)傷。因(yin)(yin)此，金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)損(sun)傷控制(zhi)(zhi)(zhi)是激(ji)光(guang)增(zeng)(zeng)(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)能(neng)否廣泛應用于金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)超(chao)硬(ying)(ying)復合材(cai)(cai)料(liao)(liao)制(zhi)(zhi)(zhi)備的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)先(xian)決條件和關鍵(jian)因(yin)(yin)素。有(you)(you)部分研(yan)(yan)究(jiu)表(biao)明，激(ji)光(guang)增(zeng)(zeng)(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)會導致(zhi)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)出現熱(re)(re)(re)損(sun)傷，主(zhu)要(yao)形式(shi)為(wei)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)磨(mo)(mo)粒表(biao)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)石(shi)(shi)(shi)墨化(hua)(hua)(hua)轉變。過度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)石(shi)(shi)(shi)墨化(hua)(hua)(hua)轉變將嚴重(zhong)(zhong)影(ying)(ying)響金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)顆(ke)粒強度(du)(du)及復合材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)綜合力(li)(li)學(xue)性(xing)能(neng)。但是截止(zhi)目前，金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)磨(mo)(mo)粒在(zai)激(ji)光(guang)增(zeng)(zeng)(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)演(yan)化(hua)(hua)(hua)過程，以(yi)(yi)及誘導金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)表(biao)面(mian)石(shi)(shi)(shi)墨化(hua)(hua)(hua)轉變的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)(yin)與機理卻(que)鮮有(you)(you)報道(dao)。

       2、文章概述

       基于上述背景，來自中南大學粉(fen)末冶金(jin)(jin)國家(jia)重(zhong)點實驗(yan)室、河(he)(he)南黃河(he)(he)旋風股份有限(xian)公司等(deng)單位的(de)學者(zhe)，圍(wei)繞高能(neng)激光(guang)束和高溫(wen)(wen)熔(rong)池兩個(ge)影響打印過程(cheng)中(zhong)(zhong)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)石(shi)(shi)墨(mo)化(hua)(hua)行為的(de)關(guan)鍵因(yin)素(su)，選取典型的(de)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)工具用(yong)金(jin)(jin)屬結合劑CuSn10粉(fen)末，采用(yong)粉(fen)末床熔(rong)融（Powder bed fusion- laser beam，PBF-LB）技(ji)術制備了(le)CuSn10-金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)復合材(cai)(cai)料。研(yan)究(jiu)人員(yuan)利用(yong)ANSYS有限(xian)元(yuan)模(mo)擬(ni)軟件，首次重(zhong)現了(le)PBF-LB過程(cheng)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)磨粒的(de)熱演化(hua)(hua)過程(cheng)，并結合實驗(yan)驗(yan)證了(le)該(gai)過程(cheng)中(zhong)(zhong)石(shi)(shi)墨(mo)化(hua)(hua)轉(zhuan)變的(de)溫(wen)(wen)度閾值，建了(le)“PBF-LB工藝-磨粒溫(wen)(wen)度-石(shi)(shi)墨(mo)化(hua)(hua)程(cheng)度-力學性(xing)能(neng)”的(de)定(ding)量(liang)關(guan)系模(mo)型，該(gai)研(yan)究(jiu)為金(jin)(jin)屬基金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)復合材(cai)(cai)料的(de)激光(guang)增(zeng)材(cai)(cai)制造工藝設計(ji)與結構-性(xing)能(neng)相關(guan)性(xing)預測提(ti)供了(le)一(yi)個(ge)很好的(de)策(ce)略和路徑。相關(guan)成(cheng)果以題為“Quantitative investigation of thermal evolution and graphitization of diamond abrasives in powder bed fusion- laser beam of metal-matrix diamond composites”發表在(zai)國際著名期刊virtual and physical prototyping（IF=10.962）上(shang)。

       該(gai)論文共(gong)同第一作(zuo)者為(wei)馬青原、彭(peng)英博，第一完(wan)成單(dan)位為(wei)中南(nan)大(da)(da)學(xue)(xue)(xue)，通訊作(zuo)者為(wei)中南(nan)大(da)(da)學(xue)(xue)(xue)張偉(wei)副(fu)研(yan)(yan)究(jiu)員。該(gai)項研(yan)(yan)究(jiu)得到了國(guo)家(jia)重點研(yan)(yan)發(fa)計(ji)劃(hua)項目(mu)、國(guo)家(jia)自(zi)然科學(xue)(xue)(xue)基(ji)(ji)金區域創新發(fa)展(zhan)聯(lian)合(he)基(ji)(ji)金項目(mu)、湖南(nan)省自(zi)然科學(xue)(xue)(xue)基(ji)(ji)金的(de)支持。據悉(xi)，論文作(zuo)者團隊主要來自(zi)中南(nan)大(da)(da)學(xue)(xue)(xue)劉詠(yong)教授課(ke)題組和黃河(he)旋風股份有(you)限公司研(yan)(yan)發(fa)中心。近年來，合(he)作(zuo)雙方致力(li)于超硬復合(he)材料(liao)領域高熵合(he)金粘結(jie)相(xiang)材料(liao)及(ji)異質(zhi)界面結(jie)構設計(ji)與強韌化調控、新型增材制造及(ji)涂層技術的(de)研(yan)(yan)發(fa)，在(zai)國(guo)內外權威(wei)期刊(kan)已(yi)發(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

       以單顆(ke)金剛(gang)(gang)石(shi)(shi)磨(mo)粒為研究對象，通過有限元模擬分析構建(jian)了金剛(gang)(gang)石(shi)(shi)磨(mo)粒的溫(wen)度場(chang)模型，反(fan)映(ying)了金剛(gang)(gang)石(shi)(shi)磨(mo)粒在PBF-LB中的熱演化過程(cheng)。

       闡明了PBF-LB過程金剛石(shi)的(de)熱損傷(shang)機制(zhi)，金剛石(shi)發生石(shi)墨化轉變并非是由激光的(de)直接輻(fu)照造成的(de)，而是由高溫(wen)熔池的(de)熱影響導致。

       建(jian)立了“PBF-LB工藝-金剛石磨粒溫度-石墨化程度-摩擦(ca)磨損性能”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)(de)熱損(sun)傷行為及其(qi)相關(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)微觀組織-性能特征，為工藝參數與成形之間的(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)系(xi)提供基(ji)礎支撐，是極其(qi)重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)。研究(jiu)發(fa)現(xian)：(1)熔(rong)池移動進程(cheng)(cheng)中金(jin)(jin)(jin)剛石(shi)(shi)磨(mo)粒(li)溫(wen)度(du)(du)(du)呈(cheng)現(xian)兩個峰值(zhi)，分(fen)別對應(ying)金(jin)(jin)(jin)剛石(shi)(shi)磨(mo)粒(li)與熔(rong)池部(bu)分(fen)接觸(chu)和完全浸(jin)入(ru)熔(rong)池時刻。此外，不能簡單地基(ji)于(yu)激(ji)光(guang)(guang)能量(liang)(liang)密度(du)(du)(du)來評價金(jin)(jin)(jin)剛石(shi)(shi)狀(zhuang)態(tai)，激(ji)光(guang)(guang)能量(liang)(liang)密度(du)(du)(du)與熔(rong)池（金(jin)(jin)(jin)剛石(shi)(shi)磨(mo)粒(li)）溫(wen)度(du)(du)(du)并非(fei)呈(cheng)線性關(guan)系(xi)。(2)PBF-LB激(ji)光(guang)(guang)能量(liang)(liang)輸入(ru)遠小于(yu)金(jin)(jin)(jin)剛石(shi)(shi)石(shi)(shi)墨(mo)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)理論(lun)燒蝕閾值(zhi)，因此金(jin)(jin)(jin)剛石(shi)(shi)石(shi)(shi)墨(mo)化(hua)不是激(ji)光(guang)(guang)直接照射引(yin)起的(de)(de)(de)(de)(de)，而是高(gao)溫(wen)熔(rong)池的(de)(de)(de)(de)(de)熱效應(ying)所致。CuSn10 -金(jin)(jin)(jin)剛石(shi)(shi)復(fu)合材(cai)料(liao)在PBF-LB過程(cheng)(cheng)中石(shi)(shi)墨(mo)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)臨(lin)界(jie)溫(wen)度(du)(du)(du)為1491.6℃。(3)復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)磨(mo)損(sun)性能隨石(shi)(shi)墨(mo)化(hua)程(cheng)(cheng)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增加(jia)而降低，摩(mo)擦系(xi)數由0.62增加(jia)到(dao)0.75，磨(mo)損(sun)深度(du)(du)(du)由97.16μm增加(jia)到(dao)118.29μm。磨(mo)損(sun)機理隨石(shi)(shi)墨(mo)化(hua)程(cheng)(cheng)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增加(jia)呈(cheng)現(xian)磨(mo)粒(li)磨(mo)損(sun)→粘著(zhu)磨(mo)損(sun)/磨(mo)粒(li)磨(mo)損(sun)→三體(ti)磨(mo)損(sun)/粘著(zhu)磨(mo)損(sun)的(de)(de)(de)(de)(de)顯著(zhu)變化(hua)。

       6、展望與未來

       增材(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造技術從(cong)原理上突破了傳統構件的(de)(de)(de)(de)結構設計和(he)(he)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造模(mo)式，能(neng)夠實現(xian)復(fu)雜形(xing)(xing)狀(zhuang)金剛(gang)石工(gong)具制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)品(pin)精密成形(xing)(xing)。通(tong)過增材(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造技術的(de)(de)(de)(de)不斷創新，實現(xian)復(fu)雜形(xing)(xing)狀(zhuang)金剛(gang)石制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)品(pin)的(de)(de)(de)(de)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備和(he)(he)高(gao)(gao)(gao)性(xing)能(neng)化(hua)，有效(xiao)解決復(fu)雜結構金剛(gang)石超硬(ying)材(cai)料制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)品(pin)效(xiao)率(lv)低(di)(di)、精度(du)(du)差、服役壽命(ming)短、加(jia)(jia)工(gong)難度(du)(du)大(da)的(de)(de)(de)(de)難題，大(da)幅提升(sheng)(sheng)金剛(gang)石復(fu)合材(cai)料工(gong)具制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造對(dui)重(zhong)大(da)加(jia)(jia)工(gong)需求(qiu)的(de)(de)(de)(de)靈活(huo)設計、快速反應(ying)和(he)(he)生產能(neng)力，降低(di)(di)研發成本，縮短制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造流程和(he)(he)周期(qi)，提高(gao)(gao)(gao)產品(pin)服役性(xing)能(neng)，從(cong)而(er)加(jia)(jia)快改變我國(guo)高(gao)(gao)(gao)端金剛(gang)石超硬(ying)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)品(pin)長(chang)期(qi)依(yi)賴(lai)進(jin)口的(de)(de)(de)(de)被動(dong)局(ju)面，提升(sheng)(sheng)我國(guo)高(gao)(gao)(gao)性(xing)能(neng)金剛(gang)石制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)品(pin)的(de)(de)(de)(de)研發能(neng)力，支撐高(gao)(gao)(gao)端制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造業(ye)和(he)(he)相關產業(ye)的(de)(de)(de)(de)發展，解決國(guo)民(min)經(jing)濟和(he)(he)國(guo)防(fang)建設的(de)(de)(de)(de)重(zhong)要(yao)需求(qiu)。