金刚石这么硬都能3D打印了？

中国粉体网讯  由于结构设计和材料设计的灵活性，3D打印金属结合剂金刚石工具有望成为下一代金刚石工具。

山东大学机械工程学院的田晨晨研究团队利用选区激光熔化工艺制备了3D打印金属结合剂金刚石工具，其中金属粉末为AlSi10Mg粉末和金刚石粉末的混合物。相关成果以“The effect of diamond grain size on the formability and mechanical property of 3D-printed diamond tool”为题发表在International Journal of Refractory Metals and Hard Materials期刊上。

研究背景

制造业的发展取决于制造工具的进步。金刚石作为自然界中最坚硬的物质，已成为制造工具领域的后起之秀。

金刚石工具主要包括金刚石磨具、金刚石锯切工具、金刚石切削工具和金刚石钻孔工具，它们是高效加工硬脆材料的重要工具。由于金刚石具有极高的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性，在加工硬脆材料方面表现非常出色。与陶瓷结合剂金刚石工具和树脂结合剂金刚石工具相比，金属结合剂金刚石工具具有优异的金属结合剂力学性能以及金刚石与金属之间优异的结合力，因此具有更好的性能。

金属结合剂金刚石工具的传统制造工艺包括热压烧结、电镀和钎焊。然而，这些方法存在一些问题，例如短寿命、热量散发性能不足等。因此，提出了多孔金属结合金刚石工具来解决力学性能和散热性能的权衡问题。

为了精确设计和制造具有预先设计孔隙形态的多孔金属结合金刚石工具，研究团队提出了3D打印结构化金属结合剂金刚石工具的新概念。目前，一些研究侧重于多孔结构的设计方法，而一些研究侧重于3D打印金刚石复合材料的形成性能，然而，金刚石晶粒尺寸对3D打印金刚石工具的成型性和力学性能的影响以前从未讨论过。众所周知，每种粉末的粒径对混合粉末的流动性和3D打印复合材料的成型性都有显着影响。因此，研究金刚石晶粒尺寸对新型3D打印金属结合金刚石工具的影响具有重要意义。

主要数据图片

混合粉末的SEM图像

金属结合剂金刚石工具的选择性激光熔化原理

金属结合剂金刚石工具的3D打印程序

用于机械测试的3D打印样品

3D打印的金刚石工具样品：成品和抛光后

研究结论

文章研究了金刚石晶粒尺寸从200目到500目不等的3D打印金属结合金刚石工具。对打印质量进行测试和表征，特别关注金刚石晶粒尺寸对成型性和力学性能的影响。主要结论如下：

(1)当金刚石晶粒尺寸从500目到200目变化时，3D打印金刚石工具的相对密度在0.91到0.96之间。此外，随着金刚石晶粒尺寸的减小，3D打印金刚石工具的相对密度也会下降。

(2)3D打印金刚石工具中金刚石磨料分布均匀，并牢固地嵌入3D打印金刚石工具的金属粘合剂中。金刚石与金属的过渡区钛元素富集程度较高且为化学冶金结合。

(3)随着金刚石晶粒尺寸的减小，3D打印金刚石工具的主要力学指标，包括杨氏模量、拉伸强度、屈服强度、压缩强度、弯曲模量和弯曲强度等均下降，但各项力学性能均能满足金刚石工具的要求。

(4)金属粘结剂的主要缺陷包括气孔缺陷、裂纹缺陷和不完全熔合。对于金刚石磨料，主要缺陷包括烧伤缺陷、粘结缺陷和脱落缺陷。随着金刚石晶粒尺寸的减小，3D打印金刚石工具中缺陷的大小和数量有增加的趋势，这可以解释为什么相对密度和力学性能会随着金刚石晶粒尺寸的减小而减弱。

3D打印金刚石工具的相对密度

3D 打印金刚石工具的金刚石分布

3D 打印金刚石工具的元素分析

金刚石晶粒尺寸对3D打印金刚石工具力学性能的影响

3D打印金刚石工具的成型缺陷

参考来源：山东大学官网

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2024.106821

（中国粉体网编辑整理/轻言）

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