中國粉體網訊  由于結構設計和材料設計的靈活性，3D打印金屬結合劑金剛石工具有望成為下一代金剛石工具。

山東大學機械工程學院的田晨晨研究團隊利用選區激光熔化工藝制備了3D打印金屬結合劑金剛石工具，其中金屬粉末為AlSi10Mg粉末和金剛石粉末的混合物。相關成果以“The effect of diamond grain size on the formability and mechanical property of 3D-printed diamond tool”為題發表在International Journal of Refractory Metals and Hard Materials期刊上。

研究背景

制造業的發展取決于制造工具的進步。金剛石作為自然界中最堅硬的物質，已成為制造工具領域的后起之秀。

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、強度、耐磨性和耐腐蝕性，在加工硬脆材料方面表現非常出色。與陶瓷結合劑金剛石工具和樹脂結合劑金剛石工具相比，金屬結合劑金剛石工具具有優異的金屬結合劑力學性能以及金剛石與金屬之間優異的結合力，因此具有更好的性能。

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

為了精確設計和制造具有預先設計孔隙形態的多孔金屬結合金剛石工具，研究團隊提出了3D打印結構化金屬結合劑金剛石工具的新概念。目前，一些研究側重于多孔結構的設計方法，而一些研究側重于3D打印金剛石復合材料的形成性能，然而，金剛石晶粒尺寸對3D打印金剛石工具的成型性和力學性能的影響以前從未討論過。眾所周知，每種粉末的粒徑對混合粉末的流動性和3D打印復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新型3D打印金屬結合金剛石工具的影響具有重要意義。

主要數據圖片

混合粉末的SEM圖像

金屬結合劑金剛石工具的選擇性激光熔化原理

金屬結合劑金剛石工具的3D打印程序

用于機械測試的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打印金屬結合金剛石工具。對打印質量進行測試和表征，特別關注金剛石晶粒尺寸對成型性和力學性能的影響。主要結論如下：

(1)當金剛石晶粒尺寸從500目到200目變化時，3D打印金剛石工具的相對密度在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密度也會下降。

(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鈦元素富集程度較高且為化學冶金結合。

(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指標，包括楊氏模量、拉伸強度、屈服強度、壓縮強度、彎曲模量和彎曲強度等均下降，但各項力學性能均能滿足金剛石工具的要求。

(4)金屬粘結劑的主要缺陷包括氣孔缺陷、裂紋缺陷和不完全熔合。對于金剛石磨料，主要缺陷包括燒傷缺陷、粘結缺陷和脫落缺陷。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量有增加的趨勢，這可以解釋為什么相對密度和力學性能會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3D打印金剛石工具力學性能的影響

3D打印金剛石工具的成型缺陷

參考來源：山東大學官網

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

（中國粉體網編輯整理/輕言）

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