中南大学增材制造顶刊：金属基金刚石复合材料PBF-LB中磨料热演化和石墨化的研究(2)

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中南大学增材制造顶刊：金属基金刚石复合材料PBF-LB中磨料热演化和石墨化的研究(2)

时间：2022-10-05 12:23 来源：磨具磨料作者：admin 阅读：次

03研究亮点以单颗金刚石磨粒为研究对象，通过有限元模拟分析构建了金刚石磨粒的温度场模型，反映了金刚石磨粒在PBF-LB中的热演化过程。

阐明了PBF-LB过程金刚石的热损伤机制，金刚石发生石墨化转变并非是由激光的直接辐照造成的，而是由高温熔池的热影响导致。
建立了“PBF-LB工艺-金刚石磨粒温度-石墨化程度-摩擦磨损性能”的定量关系。

04图文导读

图1 金刚石颗粒的温度场分布状态

图2 不同工艺下金刚石颗粒的最高温度-时间变化曲线

图3 不同温度下金刚石颗粒微观结构

无石墨化、轻微石墨化和严重石墨化区域分别对应紫色区域1、绿色区域2和红色区域3

图4 不同温度下复合材料界面元素扩散特征

(a)1242.1℃；(b)1539.4℃；(c)1891.1℃

图5 PBF-LB制备CuSn10-金刚石复合材料示意图

(a)混合粉末床；(b)激光直接辐照金刚石；(c)高温熔池接触金刚石

05结论

在金刚石超硬复合材料的激光增材制造中，金刚石和粉末材料参数以及激光工艺参数是影响其成形质量的主要因素。金刚石具有优良的导热性能，它会改变合金熔体的局部导热能力和温度分布，从而影响熔池形态、金刚石附近的微观组织和成形质量。此外，由于金刚石高温热稳定性较差，当与高温熔池接触时，容易发生氧化、石墨化、化学侵蚀等热损伤。因此，建立一个定量关系来准确评价金刚石磨料的热损伤行为及其相关的微观组织-性能特征，为工艺参数与成形之间的关系提供基础支撑，是极其重要的。

研究发现：(1)熔池移动进程中金刚石磨粒温度呈现两个峰值，分别对应金刚石磨粒与熔池部分接触和完全浸入熔池时刻。此外，不能简单地基于激光能量密度来评价金刚石状态，激光能量密度与熔池（金刚石磨粒）温度并非呈线性关系。(2)PBF-LB激光能量输入远小于金刚石石墨化的理论烧蚀阈值，因此金刚石石墨化不是激光直接照射引起的，而是高温熔池的热效应所致。CuSn10 -金刚石复合材料在PBF-LB过程中石墨化的临界温度为1491.6℃。(3)复合材料的磨损性能随石墨化程度的增加而降低，摩擦系数由0.62增加到0.75，磨损深度由97.16μm增加到118.29μm。磨损机理随石墨化程度的增加呈现磨粒磨损→粘着磨损/磨粒磨损→三体磨损/粘着磨损的显著变化。

06展望与未来

增材制造技术从原理上突破了传统构件的结构设计和制造模式，能够实现复杂形状金刚石工具制品精密成形。通过增材制造技术的不断创新，实现复杂形状金刚石制品的制备和高性能化，有效解决复杂结构金刚石超硬材料制品效率低、精度差、服役寿命短、加工难度大的难题，大幅提升金刚石复合材料工具制造对重大加工需求的灵活设计、快速反应和生产能力，降低研发成本，缩短制造流程和周期，提高产品服役性能，从而加快改变我国高端金刚石超硬制品长期依赖进口的被动局面，提升我国高性能金刚石制品的研发能力，支撑高端制造业和相关产业的发展，解决国民经济和国防建设的重要需求。

(责任编辑：admin)

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