中南大學(xué)在增材制造NiCu/金剛石復(fù)合材料取得進(jìn)展

來(lái)源：AMLetters

粉末床熔融（PBF）和定向能量沉積（DED）是典型的增材制造（AM）技術(shù)，用于生產(chǎn)金屬和復(fù)合材料。這些方法因其能夠?qū)崿F(xiàn)近凈成形、減少材料浪費(fèi)和制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)組件的能力而在各行業(yè)中興起。這對(duì)于脆性材料尤其重要，因?yàn)榇蟠鬁p少了加工需求。金剛石復(fù)合材料以其超高硬度、卓越的耐磨性和優(yōu)異的導(dǎo)熱性在電信、消費(fèi)電子、航空航天、交通、采礦、機(jī)械工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，由于其超高硬度和固有脆性，成形特定幾何形狀非常具有挑戰(zhàn)性。

激光粉床應(yīng)用廣，各種問(wèn)題卻不少
因此，許多研究集中在使用激光粉末床熔融（PBF-LB）方法制造金剛石復(fù)合材料。

（1）然而，PBF-LB 制造的金剛石復(fù)合材料通常相對(duì)密度低（約80-87%），并有大量孔隙，這歸因于光束能量輸入不足。

（2）由于能量輸入不足，表面粗糙度高和未熔顆粒普遍存在。

（3）盡管進(jìn)行了廣泛的參數(shù)優(yōu)化嘗試，PBF-LB固有的快速凝固仍會(huì)導(dǎo)致金剛石復(fù)合材料中的殘余應(yīng)力引發(fā)裂紋。

（4）此外，PBF-LB中的高能量密度會(huì)引發(fā)金剛石石墨化。當(dāng)激光輻照溫度超過(guò)700°C時(shí)，碳碳鍵從sp3雜化態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閟p2雜化態(tài)，開(kāi)始石墨化。石墨由于具有更高的激光吸收率，進(jìn)一步加速了石墨化。

有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，用鈦（Ti）涂層覆蓋金剛石顆粒有助于在PBF-LB過(guò)程中防止其石墨化，因?yàn)殁佂繉优c金剛石反應(yīng)形成致密的碳化物層，減緩了石墨化過(guò)程。這表明，使用金屬涂層可能是保持金剛石顆粒在增材制造過(guò)程中穩(wěn)定的有益方法。

電子取代激光束，裂紋石墨統(tǒng)統(tǒng)了
作為一種復(fù)雜的PBF技術(shù)，電子束粉末床熔融（PBF-EB）相對(duì)于激光粉末床熔融（PBF-LB）應(yīng)用受限，因?yàn)槠湓O(shè)備成本高且僅適用于導(dǎo)電材料。然而，PBF-EB在制備金剛石復(fù)合材料方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：

（1）PBF-EB的真空環(huán)境可抑制金剛石石墨化，在PBF-EB的低氧條件下，氧原子難以破壞金剛石的C-C鍵，從而減輕石墨化。

（2）此外，PBF-EB的高預(yù)熱溫度有助于抑制裂紋，

（3）利用電磁場(chǎng)控制電子束運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)超高掃描速度，大幅提高制造效率。

然而，關(guān)于PBF-EB制備金剛石復(fù)合材料的文獻(xiàn)非常稀少。

純銅軟來(lái)鎳銅硬，界面結(jié)合是關(guān)鍵
銅/金剛石復(fù)合材料因其優(yōu)異的熱性能，如高導(dǎo)熱性和工作溫度，引起了廣泛關(guān)注。然而，銅的低強(qiáng)度和與金剛石的差潤(rùn)濕性嚴(yán)重限制了銅/金剛石復(fù)合材料的應(yīng)用。鎳銅（Ni-Cu）合金具有優(yōu)異的機(jī)械性能、抗氧化性和與金剛石相似的晶格參數(shù)，成為金屬/金剛石復(fù)合材料中金屬“粘結(jié)劑”的有力候選者。

中南大學(xué)粉冶院，增材頂刊看一看
近日，中南大學(xué)粉末冶金研究院 劉詠教授 團(tuán)隊(duì)的 王若沖博士 等學(xué)者，在增材制造頂刊《Additive Manufacturing》上發(fā)表題為：粉末床增材制造NiCu/金剛石復(fù)合材料（Additive manufacturing of high-quality NiCu/diamond composites through powder bed fusion）的學(xué)術(shù)文章。他們首次應(yīng)用電子束粉末床熔融（PBF-EB）技術(shù)制備了兼具高密度和優(yōu)異的綜合性能的NiCu/金剛石復(fù)合材料，并采用半定量模型計(jì)算出無(wú)量綱體積能量密度（DVED）值。優(yōu)化的DVED值提供了普遍適用的范圍，為其他金屬/金剛石復(fù)合材料的PBF-EB過(guò)程提供了有價(jià)值的指導(dǎo)。

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

圖1. 原料的形態(tài)和尺寸分布。(a, b) NiCu合金粉末和鎢涂層金剛石顆粒的形態(tài)，(c) (b) 的截面圖（插圖為放大視圖），(d, e) NiCu合金粉末和鎢涂層金剛石顆粒的尺寸分布。

圖2. (a) PBF-EB制備N(xiāo)iCu/金剛石復(fù)合材料的制備過(guò)程示意圖，(b) 復(fù)合材料的表面形態(tài)和 (c) 橫截面形態(tài)，展示均勻的金剛石分布。

圖3. (a) 不同掃描速度和束流下制備的PBF-EB NiCu/金剛石復(fù)合材料的表面形態(tài)。(b) 欠熔（藍(lán)色虛線框圈出），(c) 良好熔化（綠色虛線框圈出），(d) 過(guò)熔（紅色虛線框圈出）的代表性表面形態(tài)。

圖4. (a) 不同掃描速度和束流下制備的PBF-EB NiCu/金剛石復(fù)合材料的橫截面形態(tài)。(b) 欠熔（藍(lán)色虛線框圈出），(c) 良好熔化（綠色虛線框圈出），(d) 過(guò)熔（紅色虛線框圈出）的代表性橫截面形態(tài)。

圖5. 測(cè)量的密度和不同掃描速度及束流下制備的PBF-EB NiCu/金剛石復(fù)合材料的相對(duì)密度分布圖。顏色從棕色到綠色的變化表示密度的增加。

圖6. 在不同激光能量密度（LED）下制備的PBF-EB NiCu/金剛石復(fù)合材料表面界面結(jié)合形態(tài)。(a) 低LED，(b) 中等LED，(c) 高LED。

圖7. PBF-EB NiCu/金剛石復(fù)合材料橫截面界面結(jié)合形態(tài)。(a1, a2) 中等線性能量密度樣品的SEI和BSEI圖像，(b1, b2) 高線性能量密度樣品的SEI和BSEI圖像。

圖8. PBF-EB NiCu/金剛石復(fù)合材料的拉曼光譜。束掃描速度分別為(a) 7 m/s，(b) 6 m/s，(c) 5 m/s，(d) 4 m/s，(e) 3 m/s。

圖9. PBF-EB NiCu/金剛石復(fù)合材料中石墨化的半定量分析結(jié)果。

圖10. PBF-EB NiCu/金剛石復(fù)合材料的體積能量密度（DVED）值。

圖11. 使用5 m/s掃描速度和不同束流（10到18 mA）制備的PBF-EB NiCu/金剛石復(fù)合材料的機(jī)械性能。

圖12. 使用5 m/s掃描速度和不同束流（a) 10 mA; b) 12 mA; c) 14 mA; d) 16 mA; e) 18 mA）制備的PBF-EB NiCu/金剛石復(fù)合材料的斷裂圖像。

圖13. 具有優(yōu)化ED*的PBF-EB鉆頭：(a) 不同角度的照片；(b) 微型CT三維孔隙分布（插圖為三維重建圖像）。

圖14. 束流為12 mA、掃描速度為5 m/s的PBF-EB NiCu/金剛石復(fù)合材料的EPMA結(jié)果。(a) 金剛石與基體界面的微觀結(jié)構(gòu)BSEI圖像。(b-h) 分別為C、Ni、Cu、Si、Mn、B和W的成分分布圖。

圖15. NiCu合金基體與金剛石界面處的HAADF-STEM圖像及相應(yīng)的元素分布圖。

作者介紹

劉永 教授
劉詠，男，江西蓮花人，教授，博士生導(dǎo)師，德國(guó)洪堡學(xué)者。長(zhǎng)期從事粉末冶金新材料新技術(shù)研究，研發(fā)了多種關(guān)鍵材料。發(fā)明了多種梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金制備技術(shù)；創(chuàng)新了粉末冶金難加工材料的熱變形理論研究；發(fā)明多種鈦合金成形加工技術(shù)；揭示了先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料中微結(jié)構(gòu)的演化機(jī)制。
發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，出版專(zhuān)著2本。已授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利50余項(xiàng)。2011年獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)；2015年獲湖南省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)；2016年獲高等學(xué)校科學(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)；2020年獲湖南省科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)。

主要科研方向?yàn)殁伡扳伜辖稹⒏邷亟Y(jié)構(gòu)材料、高熵合金、硬質(zhì)合金等。

王若沖 博士
中國(guó)大學(xué)生在線網(wǎng)有一篇題為《王若沖：四年加權(quán)綜測(cè)成績(jī)雙榜首，三獲國(guó)獎(jiǎng)斬多項(xiàng)榮譽(yù)的直博學(xué)霸》的文章，專(zhuān)門(mén)介紹了本科期間王博的學(xué)霸人生。
王若沖，粉末冶金研究院材化1701班本科生，大學(xué)四年期間，王若沖每學(xué)期加權(quán)成績(jī)與每學(xué)年綜合測(cè)評(píng)成績(jī)排名均為年級(jí)第一，入選第一批中南大學(xué)本-博“拔尖創(chuàng)新計(jì)劃”，保研至粉末冶金研究院繼續(xù)攻讀博士研究生。