中國粉體網訊  在中國粉體網主辦的2025高端金屬粉體制備與應用技術大會期間，我們邀請到中南大學張偉教授做客《對話》欄目，圍繞金剛石超硬復合材料用金屬粉末原料及超硬工具的增材制造技術做了以下訪談。

中國粉體網：作為金剛石工具粘結相的金屬粉體，它的材料成分有哪些？對它的性能要求是什么？常規的制粉方法是什么？

張教授：我來自于中南大學粉末冶金研究院，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，我們國家現在在人造金剛石合成方面在全球有非常明顯的戰略優勢。金剛石本身作為磨粒，需要通過粘結相對它進行固結定型，從而實現對加工產品的精細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定的立方晶體結構，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合的材料。其次，金剛石本身的膨脹系數非常低，而金屬材料膨脹系數跟金剛石相比可以差一兩個數量級。在這種情況下，如果在加工過程中溫度變化比較大，也會導致它們之間的界面出現一些缺陷。

從宏觀層面來講，材料加工主要依靠金剛石受力，如何實現對金剛石磨粒的高把持力，而且在這個把持的過程中整個基體又能夠有很好的一個保形性，因此對于工具整體的力學性能提出一定的要求。

此外，金剛石本身還有一個特點就是熱穩定性不好，在空氣環境中，它在六七百度就會出現氧化失重，因此我們就盡量避免采用高熔點材料。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，我們也稱之為基礎工具粉。

第二類就是為了降低熔點，我們會往里面摻一些比如錫，把熔點降下來，這樣它在燒結過程中就可以實現低溫下的固結成型。

第三類，你可以把它想象成牙齒和牙齦的關系，很多情況下我們牙齒實際還很好，但是牙齦出現了狀況導致牙齒脫落，實際上并沒有發揮作用，所以說牙齦和牙齒之間的力學的匹配性非常重要。同樣，金屬材料在耐磨性方面要跟金剛石有很好的匹配，適當的時候需要增強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，后續再通過燒結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，不同場景下的要求都不一樣。

這其中的金屬粉體原料，傳統的制備方法主要還是采用像水霧化的方法，因為成本比較低，此外水霧化制備的粉末形狀是比較不規則的，冷壓成型性比較好。再者，水霧化因為它提供的動能破碎的能量是比較大的，能獲得比較細的粉，比較符合對冷壓成型性的要求。

隨著產業的發展，大家對于粉末穩定性的要求越來越高，就是產品的一致性要求更高。傳統的是通過單質粉或者通過單質粉和預合金粉混合的這種方式，它會帶來一個問題，就是穩定性和一致性會受到影響和挑戰。中南大學提出了粘結相的高熵設計思路，就是之前說的多主元合金，直接把它做成這種物相單一的、性質穩定的粉末，或采用金屬間化合物，它兼具陶瓷和金屬的一些特性，可以靈活地調控它們之間的性能，但同時又可以保證它的穩定性與一致性。但是，現在咱們國家金剛石制品用粘結相這個行業發展相對于其他的粉末冶金的行業是比較滯后的。

目前粘結劑用金屬粉體原料主流用的還是水霧化法，也有通過電解技術來實現。國外比較高端的金屬粉體現在主要有以下幾個發展方向，第一個是往超細方向走，如何獲得粒度更加細，甚至到亞微米級別的，然后均勻性、一致性非常好，而且粉末的收得率比較高。

第二個就是往多元、預合金方向，但每個企業有自己特有的配方，這樣就不利于整個行業的發展。這實際上就需要像粉體網這樣的一個全行業的平臺能夠把大家整合在一起實現頂層設計。

中國粉體網：金剛石復合材料的增材技術相比純金屬或者合金類材料的增材制造，它有什么特點、難點？

張教授：我們在超硬工具行業躬耕了很長時間，發現從傳統的成型工藝角度去改變現有的產業，目前的難度是非常大的。但是實際上在很多應用場景，比如像一些精密加工的行業，它對于磨削、對容屑、冷卻，甚至對于一些曲面加工，提出非常高的要求。那么這種情況下，我們通過傳統的模壓成型有個很大的局限，就是沒有辦法實現一些復雜結構成型。

此外第二個問題，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展。

增材制造的發展主要有兩個方向，一個是熱打印，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。這類方式其實并不罕見，因為激光釬焊金剛石工具其實很接近熱打印。但是這種方式會面臨一個問題，就是因為金剛石本身耐熱性不行，通過熱熔的方式勢必會面臨幾個挑戰，第一個就是金剛石的熱燒損，熔池的環境下會出現燒損，就會影響到它的一些性能的發揮。第二個就是界面的熱應力，因為金剛石和粘結相物理性質是不一樣的，力學性能也差別比較大。在這種環境下，物性的差異會導致非常大的應力產生，出現缺陷、裂紋、孔洞。

這些年我們在這方面也做了非常多的基礎性研究工作，適時地提出通過冷打印成型。所謂的冷打印其實也就是通過打印來實現構型。我們中南大學有一個成果轉化的企業深圳升華三維科技有限公司，他們是通過擠出式成型在構型這個環節替代傳統模壓。冷打印后續的脫脂燒結還是采用我們傳統的粉末冶金的工藝，這樣就具備了工業化量產確保一致性的條件。現在在復雜構型的模具設計，還有一些復合片甚至鉆頭體設計這一塊，我們已經在應用這種技術做了一些開創性的工作。它可以很好地實現在固相燒結這種環境下來確保它們的固結，很好地保留了金剛石的性能。目前我們也正在做一些相關的評價和測試。這個工作我們還有一個背景就是基于國家重點研發計劃項目，也是國家層面重要的工程應用方向之一。

3D打印金剛石復合材料現在采用的是粉床式的，基于它對流動性的要求，原來的不規則形狀粉體就不適用了，現在要用球形粉體去做。再有就是我們的材料體系發生了變化，過去是把它們簡單混合、模壓成型就可以了，現在是要在熔池液相環境下甚至喂料的環境下。液相環境下有多材料，里面不但有金剛石，還有金屬結合劑；喂料或者冷打印環境下，它里面含有高分子材料，還需要做成一定預制形狀的，比如說顆粒料，實現更好的、穩定的流動送料，這實際上已經完全顛覆了我們傳統意義上對工具粉末的需求。

除此之外，現在金剛石制品方向用的比較多的像銅這種傳統材料，它屬于激光的高反射材料，對激光能量的吸收率是比較低的。這種情況下我們就要適當地對它進行改性，比如說進行合金化的處理，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，這也是我們現在重點開展的工作。

3D打印金剛石工具用金屬粉體的國產化情況目前還不太好，因為這個方向應用端并沒有打通，目前廠家主要的應用場景還都是傳統的。這跟超硬工具行業相對封閉有關系。因為大家也要保證自己的生存，各自開發自己的配方粉末，這就導致了我們這么多年其實對于工具粉這一塊沒有形成行業的通用的牌號或者是標準。所以這個工作是非常有意義的。

中國粉體網：高端金剛石復合材料工具的典型應用場景有哪些？

張教授：如高端工具方面，我們現在重點針對結構功能一體化，比如說像曲軸加工。它的磨具實際上是一個異形磨具，我們了解到現在比如說像3M、圣戈班，他們其實在磨粒工具的增材構型方面已有成熟的產品推向市場。

除此之外，如深海深地鉆探，鉆頭體設計怎么去跟巖層更好地進行力學的匹配性。這里面實際上對于結構，對于金剛石鉆具的應力分布都有關系。此外，還有半導體加工，以及半導體的封裝（熱沉材料），現在構型化也是一個趨勢。這些場景其實在國內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信息還是比較敏感的，他們只是打個樣。他們用的是光固化的方式做了一個金剛石含量比較高的類似于聚晶一樣的產品，相當于在概念上占領了一個制高點。但是因為金剛石這個方向是比較敏感的，全世界很多國家，尤其是發達國家其實對這塊是屬于信息封閉的，它并沒有大范圍地進行宣傳和拓展。我們通過各種渠道了解到些真實情況，目前大家其實都在往這方面發展。

中國粉體網：您目前在科研成果轉化方面有什么進展？

張教授：我們團隊主要基于中南大學粉末冶金的學科和科研優勢，圍繞金剛石超硬/功能復合材料的基礎應用研究與產業轉化方向，重點在幾個方面開展工作，第一，就是特定應用場景下的工具粉末的設計與制備技術開發，以及粉末制品的應用評價。第二就是新型結構-功能一體化金剛石復合材料制品的設計研發。在國內，尤其是在湖南和江西，團隊與很多企業保持緊密和良好的合作關系。當然，我們也希望借助中國粉體網這個平臺，能有更多對于超硬制品和超硬工具粉末感興趣的企業朋友多聯系和交流，不管是技術交流還是走向合作的方向，我們都是持比較開放的態度。

（中國粉體網編輯整理/平安）

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