中國粉體網(wǎng)訊 在中國粉體網(wǎng)主辦的2025高端金屬粉體制備與應(yīng)用技術(shù)大會(huì)期間，我們邀請(qǐng)到中南大學(xué)張偉教授做客《對(duì)話》欄目，圍繞金剛石超硬復(fù)合材料用金屬粉末原料及超硬工具的增材制造技術(shù)做了以下訪談。
中國粉體網(wǎng)：作為金剛石工具粘結(jié)相的金屬粉體，它的材料成分有哪些？對(duì)它的性能要求是什么？常規(guī)的制粉方法是什么？
張教授：我來自于中南大學(xué)粉末冶金研究院，長期以來主要從事粉末冶金工具材料的研究。金剛石超硬材料制品是粉末冶金工具的重要組成部分，天然金剛石是目前自然界里最硬的物質(zhì)，我們國家現(xiàn)在在人造金剛石合成方面在全球有非常明顯的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)。金剛石本身作為磨粒，需要通過粘結(jié)相對(duì)它進(jìn)行固結(jié)定型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加工產(chǎn)品的精細(xì)化的磨削或切削加工的過程。
從微觀層面來講，金剛石本身屬于非常穩(wěn)定的立方晶體結(jié)構(gòu)，它跟很多金屬材料的浸潤性都不是很好。在這種情況下，我們首先考慮就是要能夠跟金剛石之間形成很好的結(jié)合的材料。其次，金剛石本身的膨脹系數(shù)非常低，而金屬材料膨脹系數(shù)跟金剛石相比可以差一兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在這種情況下，如果在加工過程中溫度變化比較大，也會(huì)導(dǎo)致它們之間的界面出現(xiàn)一些缺陷。
從宏觀層面來講，材料加工主要依靠金剛石受力，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石磨粒的高把持力，而且在這個(gè)把持的過程中整個(gè)基體又能夠有很好的一個(gè)保形性，因此對(duì)于工具整體的力學(xué)性能提出一定的要求。
此外，金剛石本身還有一個(gè)特點(diǎn)就是熱穩(wěn)定性不好，在空氣環(huán)境中，它在六七百度就會(huì)出現(xiàn)氧化失重，因此我們就盡量避免采用高熔點(diǎn)材料。基于以上這些情況，我們一般用的是比如銅、鐵、鎳等作為工具粉末材料，我們也稱之為基礎(chǔ)工具粉。
第二類就是為了降低熔點(diǎn)，我們會(huì)往里面摻一些比如錫，把熔點(diǎn)降下來，這樣它在燒結(jié)過程中就可以實(shí)現(xiàn)低溫下的固結(jié)成型。
第三類，你可以把它想象成牙齒和牙齦的關(guān)系，很多情況下我們牙齒實(shí)際還很好，但是牙齦出現(xiàn)了狀況導(dǎo)致牙齒脫落，實(shí)際上并沒有發(fā)揮作用，所以說牙齦和牙齒之間的力學(xué)的匹配性非常重要。同樣，金屬材料在耐磨性方面要跟金剛石有很好的匹配，適當(dāng)?shù)臅r(shí)候需要增強(qiáng)基體的耐磨性和硬度，從而跟金剛石更好地匹配，而不至于過早地磨損失效。因此在這種情況下我們又往里面加一些鎢、碳化鎢，從而來提高基體的硬度和耐磨性。
常規(guī)情況下我們一般是采用這種方式，把這些材料混合均勻，然后通過模壓成型，后續(xù)再通過燒結(jié)形成一定形狀的比如說砂輪，如果是聚晶材料的話，就需要高溫高壓下合成，讓它形成一些D-D鍵或者D-M-D的鍵合形式，不同場(chǎng)景下的要求都不一樣。
這其中的金屬粉體原料，傳統(tǒng)的制備方法主要還是采用像水霧化的方法，因?yàn)槌杀颈容^低，此外水霧化制備的粉末形狀是比較不規(guī)則的，冷壓成型性比較好。再者，水霧化因?yàn)樗峁┑膭?dòng)能破碎的能量是比較大的，能獲得比較細(xì)的粉，比較符合對(duì)冷壓成型性的要求。
隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大家對(duì)于粉末穩(wěn)定性的要求越來越高，就是產(chǎn)品的一致性要求更高。傳統(tǒng)的是通過單質(zhì)粉或者通過單質(zhì)粉和預(yù)合金粉混合的這種方式，它會(huì)帶來一個(gè)問題，就是穩(wěn)定性和一致性會(huì)受到影響和挑戰(zhàn)。中南大學(xué)提出了粘結(jié)相的高熵設(shè)計(jì)思路，就是之前說的多主元合金，直接把它做成這種物相單一的、性質(zhì)穩(wěn)定的粉末，或采用金屬間化合物，它兼具陶瓷和金屬的一些特性，可以靈活地調(diào)控它們之間的性能，但同時(shí)又可以保證它的穩(wěn)定性與一致性。但是，現(xiàn)在咱們國家金剛石制品用粘結(jié)相這個(gè)行業(yè)發(fā)展相對(duì)于其他的粉末冶金的行業(yè)是比較滯后的。
目前粘結(jié)劑用金屬粉體原料主流用的還是水霧化法，也有通過電解技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。國外比較高端的金屬粉體現(xiàn)在主要有以下幾個(gè)發(fā)展方向，第一個(gè)是往超細(xì)方向走，如何獲得粒度更加細(xì)，甚至到亞微米級(jí)別的，然后均勻性、一致性非常好，而且粉末的收得率比較高。
第二個(gè)就是往多元、預(yù)合金方向，但每個(gè)企業(yè)有自己特有的配方，這樣就不利于整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。這實(shí)際上就需要像粉體網(wǎng)這樣的一個(gè)全行業(yè)的平臺(tái)能夠把大家整合在一起實(shí)現(xiàn)頂層設(shè)計(jì)。
中國粉體網(wǎng)：金剛石復(fù)合材料的增材技術(shù)相比純金屬或者合金類材料的增材制造，它有什么特點(diǎn)、難點(diǎn)？
張教授：我們?cè)诔补ぞ咝袠I(yè)躬耕了很長時(shí)間，發(fā)現(xiàn)從傳統(tǒng)的成型工藝角度去改變現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)，目前的難度是非常大的。但是實(shí)際上在很多應(yīng)用場(chǎng)景，比如像一些精密加工的行業(yè)，它對(duì)于磨削、對(duì)容屑、冷卻，甚至對(duì)于一些曲面加工，提出非常高的要求。那么這種情況下，我們通過傳統(tǒng)的模壓成型有個(gè)很大的局限，就是沒有辦法實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型。
此外第二個(gè)問題，目前金剛石雖然說成本降下來了，但是它畢竟還是屬于高附加值產(chǎn)品，在這種情況下，如何把金剛石用在“刀刃”上，把它充分地利用起來而不至于過早地脫落或者說失效，如果通過增材制造的方式，可以把金剛石磨粒的利用率發(fā)揮到極致，正是在這樣的背景下提出來了新的方向，就是往增材制造方向發(fā)展。
增材制造的發(fā)展主要有兩個(gè)方向，一個(gè)是熱打印，就是通過熱熔的方式，它的熱源一般是激光、電子束，以及電弧等等這些形式。這類方式其實(shí)并不罕見，因?yàn)榧す忖F焊金剛石工具其實(shí)很接近熱打印。但是這種方式會(huì)面臨一個(gè)問題，就是因?yàn)榻饎偸旧砟蜔嵝圆恍�，通過熱熔的方式勢(shì)必會(huì)面臨幾個(gè)挑戰(zhàn)，第一個(gè)就是金剛石的熱燒損，熔池的環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)燒損，就會(huì)影響到它的一些性能的發(fā)揮。第二個(gè)就是界面的熱應(yīng)力，因?yàn)榻饎偸驼辰Y(jié)相物理性質(zhì)是不一樣的，力學(xué)性能也差別比較大。在這種環(huán)境下，物性的差異會(huì)導(dǎo)致非常大的應(yīng)力產(chǎn)生，出現(xiàn)缺陷、裂紋、孔洞。
這些年我們?cè)谶@方面也做了非常多的基礎(chǔ)性研究工作，適時(shí)地提出通過冷打印成型。所謂的冷打印其實(shí)也就是通過打印來實(shí)現(xiàn)構(gòu)型。我們中南大學(xué)有一個(gè)成果轉(zhuǎn)化的企業(yè)深圳升華三維科技有限公司，他們是通過擠出式成型在構(gòu)型這個(gè)環(huán)節(jié)替代傳統(tǒng)模壓。冷打印后續(xù)的脫脂燒結(jié)還是采用我們傳統(tǒng)的粉末冶金的工藝，這樣就具備了工業(yè)化量產(chǎn)確保一致性的條件。現(xiàn)在在復(fù)雜構(gòu)型的模具設(shè)計(jì)，還有一些復(fù)合片甚至鉆頭體設(shè)計(jì)這一塊，我們已經(jīng)在應(yīng)用這種技術(shù)做了一些開創(chuàng)性的工作。它可以很好地實(shí)現(xiàn)在固相燒結(jié)這種環(huán)境下來確保它們的固結(jié)，很好地保留了金剛石的性能。目前我們也正在做一些相關(guān)的評(píng)價(jià)和測(cè)試。這個(gè)工作我們還有一個(gè)背景就是基于國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，也是國家層面重要的工程應(yīng)用方向之一。
3D打印金剛石復(fù)合材料現(xiàn)在采用的是粉床式的，基于它對(duì)流動(dòng)性的要求，原來的不規(guī)則形狀粉體就不適用了，現(xiàn)在要用球形粉體去做。再有就是我們的材料體系發(fā)生了變化，過去是把它們簡單混合、模壓成型就可以了，現(xiàn)在是要在熔池液相環(huán)境下甚至喂料的環(huán)境下。液相環(huán)境下有多材料，里面不但有金剛石，還有金屬結(jié)合劑；喂料或者冷打印環(huán)境下，它里面含有高分子材料，還需要做成一定預(yù)制形狀的，比如說顆粒料，實(shí)現(xiàn)更好的、穩(wěn)定的流動(dòng)送料，這實(shí)際上已經(jīng)完全顛覆了我們傳統(tǒng)意義上對(duì)工具粉末的需求。
除此之外，現(xiàn)在金剛石制品方向用的比較多的像銅這種傳統(tǒng)材料，它屬于激光的高反射材料，對(duì)激光能量的吸收率是比較低的。這種情況下我們就要適當(dāng)?shù)貙?duì)它進(jìn)行改性，比如說進(jìn)行合金化的處理，甚至說直接替代，以其他的形式來替代。這提出了非常多的挑戰(zhàn)，這也是我們現(xiàn)在重點(diǎn)開展的工作。
3D打印金剛石工具用金屬粉體的國產(chǎn)化情況目前還不太好，因?yàn)檫@個(gè)方向應(yīng)用端并沒有打通，目前廠家主要的應(yīng)用場(chǎng)景還都是傳統(tǒng)的。這跟超硬工具行業(yè)相對(duì)封閉有關(guān)系。因?yàn)榇蠹乙惨ＷC自己的生存，各自開發(fā)自己的配方粉末，這就導(dǎo)致了我們這么多年其實(shí)對(duì)于工具粉這一塊沒有形成行業(yè)的通用的牌號(hào)或者是標(biāo)準(zhǔn)。所以這個(gè)工作是非常有意義的。
中國粉體網(wǎng)：高端金剛石復(fù)合材料工具的典型應(yīng)用場(chǎng)景有哪些？
張教授：如高端工具方面，我們現(xiàn)在重點(diǎn)針對(duì)結(jié)構(gòu)功能一體化，比如說像曲軸加工。它的磨具實(shí)際上是一個(gè)異形磨具，我們了解到現(xiàn)在比如說像3M、圣戈班，他們其實(shí)在磨粒工具的增材構(gòu)型方面已有成熟的產(chǎn)品推向市場(chǎng)。
除此之外，如深海深地鉆探，鉆頭體設(shè)計(jì)怎么去跟巖層更好地進(jìn)行力學(xué)的匹配性。這里面實(shí)際上對(duì)于結(jié)構(gòu)，對(duì)于金剛石鉆具的應(yīng)力分布都有關(guān)系。此外，還有半導(dǎo)體加工，以及半導(dǎo)體的封裝（熱沉材料），現(xiàn)在構(gòu)型化也是一個(gè)趨勢(shì)。這些場(chǎng)景其實(shí)在國內(nèi)都還屬于卡脖子的地方。
國外最早曝光3D打印用于超硬工具的實(shí)際上是瑞典的山特維克，他們很早就提出來了。但是提出來之后由于這個(gè)信息還是比較敏感的，他們只是打個(gè)樣。他們用的是光固化的方式做了一個(gè)金剛石含量比較高的類似于聚晶一樣的產(chǎn)品，相當(dāng)于在概念上占領(lǐng)了一個(gè)制高點(diǎn)。但是因?yàn)榻饎偸@個(gè)方向是比較敏感的，全世界很多國家，尤其是發(fā)達(dá)國家其實(shí)對(duì)這塊是屬于信息封閉的，它并沒有大范圍地進(jìn)行宣傳和拓展。我們通過各種渠道了解到些真實(shí)情況，目前大家其實(shí)都在往這方面發(fā)展。
中國粉體網(wǎng)：您目前在科研成果轉(zhuǎn)化方面有什么進(jìn)展？
張教授：我們團(tuán)隊(duì)主要基于中南大學(xué)粉末冶金的學(xué)科和科研優(yōu)勢(shì)，圍繞金剛石超硬/功能復(fù)合材料的基礎(chǔ)應(yīng)用研究與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化方向，重點(diǎn)在幾個(gè)方面開展工作，第一，就是特定應(yīng)用場(chǎng)景下的工具粉末的設(shè)計(jì)與制備技術(shù)開發(fā)，以及粉末制品的應(yīng)用評(píng)價(jià)。第二就是新型結(jié)構(gòu)-功能一體化金剛石復(fù)合材料制品的設(shè)計(jì)研發(fā)。在國內(nèi)，尤其是在湖南和江西，團(tuán)隊(duì)與很多企業(yè)保持緊密和良好的合作關(guān)系。當(dāng)然，我們也希望借助中國粉體網(wǎng)這個(gè)平臺(tái)，能有更多對(duì)于超硬制品和超硬工具粉末感興趣的企業(yè)朋友多聯(lián)系和交流，不管是技術(shù)交流還是走向合作的方向，我們都是持比較開放的態(tài)度。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除！
