中南大学在增材制造NiCu/金刚石复合材料取得进展

来源：AMLetters

粉末床熔融（PBF）和定向能量沉积（DED）是典型的增材制造（AM）技术，用于生产金属和复合材料。这些方法因其能够实现近净成形、减少材料浪费和制造复杂结构组件的能力而在各行业中兴起。这对于脆性材料尤其重要，因为大大减少了加工需求。金刚石复合材料以其超高硬度、卓越的耐磨性和优异的导热性在电信、消费电子、航空航天、交通、采矿、机械工程等领域得到广泛应用。然而，由于其超高硬度和固有脆性，成形特定几何形状非常具有挑战性。

激光粉床应用广，各种问题却不少
因此，许多研究集中在使用激光粉末床熔融（PBF-LB）方法制造金刚石复合材料。

（1）然而，PBF-LB 制造的金刚石复合材料通常相对密度低（约80-87%），并有大量孔隙，这归因于光束能量输入不足。

（2）由于能量输入不足，表面粗糙度高和未熔颗粒普遍存在。

（3）尽管进行了广泛的参数优化尝试，PBF-LB固有的快速凝固仍会导致金刚石复合材料中的残余应力引发裂纹。

（4）此外，PBF-LB中的高能量密度会引发金刚石石墨化。当激光辐照温度超过700°C时，碳碳键从sp3杂化态转变为sp2杂化态，开始石墨化。石墨由于具有更高的激光吸收率，进一步加速了石墨化。

有学者发现，用钛（Ti）涂层覆盖金刚石颗粒有助于在PBF-LB过程中防止其石墨化，因为钛涂层与金刚石反应形成致密的碳化物层，减缓了石墨化过程。这表明，使用金属涂层可能是保持金刚石颗粒在增材制造过程中稳定的有益方法。

电子取代激光束，裂纹石墨统统了
作为一种复杂的PBF技术，电子束粉末床熔融（PBF-EB）相对于激光粉末床熔融（PBF-LB）应用受限，因为其设备成本高且仅适用于导电材料。然而，PBF-EB在制备金刚石复合材料方面具有独特优势：

（1）PBF-EB的真空环境可抑制金刚石石墨化，在PBF-EB的低氧条件下，氧原子难以破坏金刚石的C-C键，从而减轻石墨化。

（2）此外，PBF-EB的高预热温度有助于抑制裂纹，

（3）利用电磁场控制电子束运动可实现超高扫描速度，大幅提高制造效率。

然而，关于PBF-EB制备金刚石复合材料的文献非常稀少。

纯铜软来镍铜硬，界面结合是关键
铜/金刚石复合材料因其优异的热性能，如高导热性和工作温度，引起了广泛关注。然而，铜的低强度和与金刚石的差润湿性严重限制了铜/金刚石复合材料的应用。镍铜（Ni-Cu）合金具有优异的机械性能、抗氧化性和与金刚石相似的晶格参数，成为金属/金刚石复合材料中金属“粘结剂”的有力候选者。

中南大学粉冶院，增材顶刊看一看
近日，中南大学粉末冶金研究院 刘咏教授 团队的 王若冲博士 等学者，在增材制造顶刊《Additive Manufacturing》上发表题为：粉末床增材制造NiCu/金刚石复合材料（Additive manufacturing of high-quality NiCu/diamond composites through powder bed fusion）的学术文章。他们首次应用电子束粉末床熔融（PBF-EB）技术制备了兼具高密度和优异的综合性能的NiCu/金刚石复合材料，并采用半定量模型计算出无量纲体积能量密度（DVED）值。优化的DVED值提供了普遍适用的范围，为其他金属/金刚石复合材料的PBF-EB过程提供了有价值的指导。

论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104288

图1. 原料的形态和尺寸分布。(a, b) NiCu合金粉末和钨涂层金刚石颗粒的形态，(c) (b) 的截面图（插图为放大视图），(d, e) NiCu合金粉末和钨涂层金刚石颗粒的尺寸分布。

图2. (a) PBF-EB制备NiCu/金刚石复合材料的制备过程示意图，(b) 复合材料的表面形态和 (c) 横截面形态，展示均匀的金刚石分布。

图3. (a) 不同扫描速度和束流下制备的PBF-EB NiCu/金刚石复合材料的表面形态。(b) 欠熔（蓝色虚线框圈出），(c) 良好熔化（绿色虚线框圈出），(d) 过熔（红色虚线框圈出）的代表性表面形态。

图4. (a) 不同扫描速度和束流下制备的PBF-EB NiCu/金刚石复合材料的横截面形态。(b) 欠熔（蓝色虚线框圈出），(c) 良好熔化（绿色虚线框圈出），(d) 过熔（红色虚线框圈出）的代表性横截面形态。

图5. 测量的密度和不同扫描速度及束流下制备的PBF-EB NiCu/金刚石复合材料的相对密度分布图。颜色从棕色到绿色的变化表示密度的增加。

图6. 在不同激光能量密度（LED）下制备的PBF-EB NiCu/金刚石复合材料表面界面结合形态。(a) 低LED，(b) 中等LED，(c) 高LED。

图7. PBF-EB NiCu/金刚石复合材料横截面界面结合形态。(a1, a2) 中等线性能量密度样品的SEI和BSEI图像，(b1, b2) 高线性能量密度样品的SEI和BSEI图像。

图8. PBF-EB NiCu/金刚石复合材料的拉曼光谱。束扫描速度分别为(a) 7 m/s，(b) 6 m/s，(c) 5 m/s，(d) 4 m/s，(e) 3 m/s。

图9. PBF-EB NiCu/金刚石复合材料中石墨化的半定量分析结果。

图10. PBF-EB NiCu/金刚石复合材料的体积能量密度（DVED）值。

图11. 使用5 m/s扫描速度和不同束流（10到18 mA）制备的PBF-EB NiCu/金刚石复合材料的机械性能。

图12. 使用5 m/s扫描速度和不同束流（a) 10 mA; b) 12 mA; c) 14 mA; d) 16 mA; e) 18 mA）制备的PBF-EB NiCu/金刚石复合材料的断裂图像。

图13. 具有优化ED*的PBF-EB钻头：(a) 不同角度的照片；(b) 微型CT三维孔隙分布（插图为三维重建图像）。

图14. 束流为12 mA、扫描速度为5 m/s的PBF-EB NiCu/金刚石复合材料的EPMA结果。(a) 金刚石与基体界面的微观结构BSEI图像。(b-h) 分别为C、Ni、Cu、Si、Mn、B和W的成分分布图。

图15. NiCu合金基体与金刚石界面处的HAADF-STEM图像及相应的元素分布图。

作者介绍

刘永 教授
刘咏，男，江西莲花人，教授，博士生导师，德国洪堡学者。长期从事粉末冶金新材料新技术研究，研发了多种关键材料。发明了多种梯度结构硬质合金制备技术；创新了粉末冶金难加工材料的热变形理论研究；发明多种钛合金成形加工技术；揭示了先进结构材料中微结构的演化机制。
发表学术论文100余篇，出版专著2本。已授权国家发明专利50余项。2011年获国家科技进步一等奖；2015年获湖南省科技进步一等奖；2016年获高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖二等奖；2020年获湖南省科学技术创新团队奖。

主要科研方向为钛及钛合金、高温结构材料、高熵合金、硬质合金等。

王若冲 博士
中国大学生在线网有一篇题为《王若冲：四年加权综测成绩双榜首，三获国奖斩多项荣誉的直博学霸》的文章，专门介绍了本科期间王博的学霸人生。
王若冲，粉末冶金研究院材化1701班本科生，大学四年期间，王若冲每学期加权成绩与每学年综合测评成绩排名均为年级第一，入选第一批中南大学本-博“拔尖创新计划”，保研至粉末冶金研究院继续攻读博士研究生。