中國粉體網(wǎng)訊  由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)的靈活性，3D打印金屬結(jié)合劑金剛石工具有望成為下一代金剛石工具。

山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的田晨晨研究團(tuán)隊(duì)利用選區(qū)激光熔化工藝制備了3D打印金屬結(jié)合劑金剛石工具，其中金屬粉末為AlSi10Mg粉末和金剛石粉末的混合物。相關(guān)成果以“The effect of diamond grain size on the formability and mechanical property of 3D-printed diamond tool”為題發(fā)表在International Journal of Refractory Metals and Hard Materials期刊上。

研究背景

制造業(yè)的發(fā)展取決于制造工具的進(jìn)步。金剛石作為自然界中最堅(jiān)硬的物質(zhì)，已成為制造工具領(lǐng)域的后起之秀。

金剛石工具主要包括金剛石磨具、金剛石鋸切工具、金剛石切削工具和金剛石鉆孔工具，它們是高效加工硬脆材料的重要工具。由于金剛石具有極高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性，在加工硬脆材料方面表現(xiàn)非常出色。與陶瓷結(jié)合劑金剛石工具和樹脂結(jié)合劑金剛石工具相比，金屬結(jié)合劑金剛石工具具有優(yōu)異的金屬結(jié)合劑力學(xué)性能以及金剛石與金屬之間優(yōu)異的結(jié)合力，因此具有更好的性能。

金屬結(jié)合劑金剛石工具的傳統(tǒng)制造工藝包括熱壓燒結(jié)、電鍍和釬焊。然而，這些方法存在一些問題，例如短壽命、熱量散發(fā)性能不足等。因此，提出了多孔金屬結(jié)合金剛石工具來解決力學(xué)性能和散熱性能的權(quán)衡問題。

為了精確設(shè)計(jì)和制造具有預(yù)先設(shè)計(jì)孔隙形態(tài)的多孔金屬結(jié)合金剛石工具，研究團(tuán)隊(duì)提出了3D打印結(jié)構(gòu)化金屬結(jié)合劑金剛石工具的新概念。目前，一些研究側(cè)重于多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，而一些研究側(cè)重于3D打印金剛石復(fù)合材料的形成性能，然而，金剛石晶粒尺寸對(duì)3D打印金剛石工具的成型性和力學(xué)性能的影響以前從未討論過。眾所周知，每種粉末的粒徑對(duì)混合粉末的流動(dòng)性和3D打印復(fù)合材料的成型性都有顯著影響。因此，研究金剛石晶粒尺寸對(duì)新型3D打印金屬結(jié)合金剛石工具的影響具有重要意義。

主要數(shù)據(jù)圖片

混合粉末的SEM圖像

金屬結(jié)合劑金剛石工具的選擇性激光熔化原理

金屬結(jié)合劑金剛石工具的3D打印程序

用于機(jī)械測(cè)試的3D打印樣品

3D打印的金剛石工具樣品：成品和拋光后

研究結(jié)論

文章研究了金剛石晶粒尺寸從200目到500目不等的3D打印金屬結(jié)合金剛石工具。對(duì)打印質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試和表征，特別關(guān)注金剛石晶粒尺寸對(duì)成型性和力學(xué)性能的影響。主要結(jié)論如下：

(1)當(dāng)金剛石晶粒尺寸從500目到200目變化時(shí)，3D打印金剛石工具的相對(duì)密度在0.91到0.96之間。此外，隨著金剛石晶粒尺寸的減小，3D打印金剛石工具的相對(duì)密度也會(huì)下降。

(2)3D打印金剛石工具中金剛石磨料分布均勻，并牢固地嵌入3D打印金剛石工具的金屬粘合劑中。金剛石與金屬的過渡區(qū)鈦元素富集程度較高且為化學(xué)冶金結(jié)合。

(3)隨著金剛石晶粒尺寸的減小，3D打印金剛石工具的主要力學(xué)指標(biāo)，包括楊氏模量、拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、彎曲模量和彎曲強(qiáng)度等均下降，但各項(xiàng)力學(xué)性能均能滿足金剛石工具的要求。

(4)金屬粘結(jié)劑的主要缺陷包括氣孔缺陷、裂紋缺陷和不完全熔合。對(duì)于金剛石磨料，主要缺陷包括燒傷缺陷、粘結(jié)缺陷和脫落缺陷。隨著金剛石晶粒尺寸的減小，3D打印金剛石工具中缺陷的大小和數(shù)量有增加的趨勢(shì)，這可以解釋為什么相對(duì)密度和力學(xué)性能會(huì)隨著金剛石晶粒尺寸的減小而減弱。

3D打印金剛石工具的相對(duì)密度

3D 打印金剛石工具的金剛石分布

3D 打印金剛石工具的元素分析

金剛石晶粒尺寸對(duì)3D打印金剛石工具力學(xué)性能的影響

3D打印金剛石工具的成型缺陷

參考來源：山東大學(xué)官網(wǎng)

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2024.106821

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）

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