增材制造金剛石工具研究現(xiàn)狀及展望＊

陶亞坤，甘 杰，周 燕，段隆臣

（中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

金剛石工具廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)開發(fā)、地質(zhì)鉆探、石油鉆采、建筑施工、機械加工、珠寶和光學(xué)玻璃加工、電子電器制造等領(lǐng)域[1]。因此，金剛石工具的制造與應(yīng)用水平是評價一個國家工業(yè)生產(chǎn)水平的重要標準。目前，金剛石工具的制造方法主要有燒結(jié)、電鍍和焊接等，這些制造方法經(jīng)過長時間的研發(fā)已較為成熟，能夠生產(chǎn)出常規(guī)的、滿足較多應(yīng)用場景的金剛石工具，且生產(chǎn)成本較低，占據(jù)市場主導(dǎo)地位。然而，隨著應(yīng)用領(lǐng)域?qū)饎偸ぞ咝阅芤蟮牟粩嗵嵘?，上述制造方法難以滿足更高的要求，如復(fù)雜形狀和精細結(jié)構(gòu)的金剛石工具一體化成形、內(nèi)嵌流道的精密結(jié)構(gòu)成形、區(qū)域成分性能精確控制成形等，亟須尋求新的制造工藝。

近年來興起的增材制造（additive manufacturing，AM）技術(shù)以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，以絲材、粉材、液材、片材等為成形材料，通過能量源逐層加工的方式來快速成形零件[2]，將三維制造降為二維制造，使成形自由度大幅提高。AM 技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、汽車、模具制造等領(lǐng)域，為形狀復(fù)雜化、結(jié)構(gòu)精密化、性能高端化的金剛石工具制造提供了新思路。

AM 技術(shù)細分為多種工藝，目前應(yīng)用于金剛石工具制造的AM 工藝主要有激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）、激光選區(qū)燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）和立體光固化成形（stereo lithography appearance，SLA）等。國內(nèi)外學(xué)者以金屬、陶瓷、樹脂等作為胎體材料與金剛石顆粒復(fù)合，構(gòu)成增材制造用材料體系。采用上述不同的AM 工藝成形出砂輪、鋸片、鉆頭等金剛石工具（如圖1所示），針對性地解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)工具成形、金剛石熱損傷、內(nèi)應(yīng)力消除、材料強化、成分控制、新型材料結(jié)合等問題，并逐步嘗試將其推向市場化應(yīng)用。

圖1 AM 成形的金剛石工具Fig.1 Diamond tools formed by AM

SLM 用典型材料（如鋁合金、銅合金、鈦合金等）與金剛石顆粒復(fù)合材料的增材制造已有相關(guān)研究，如TIAN 等[3]以AlSi10Mg 為胎體材料，采用SLM 技術(shù)成形了具有八面體通孔的金剛石砂輪（圖1a）。在減少材料損耗的同時保證了砂輪的機械性能，使砂輪使用過程中散熱能力大幅提高，容屑能力增強，減小了砂輪的熱損傷。GAN 等[4]采用Cu-Sn-Ti 合金材料與體積分數(shù)為25%的金剛石顆粒配成粉末體系，利用SLM 技術(shù)成形了孕鑲金剛石鉆頭工作層（圖1b）。與同牌號燒結(jié)試樣相比，SLM 成形的工作層具有更好的耐磨性，胎體與金剛石的結(jié)合力更強。張俊濤[5]等采用Ti6Al4V作為胎體材料，利用SLM 技術(shù)成形了孕鑲金剛石工作層（圖1c），金剛石顆粒分散相對均勻，鑲嵌在胎體中，保持了金剛石顆粒的完整性，抗彎強度適中。

硬質(zhì)脆性合金與金剛石顆粒復(fù)合材料的增材制造也開始了相關(guān)研究，如WU 等[6]以Co-Cr-Mo 球形合金粉末作為胎體材料，與體積分數(shù)為5%的金剛石微粉均勻混合，在合適的SLS 成形工藝參數(shù)下，實現(xiàn)了柵格狀金剛石鉆頭的成形（圖1d）。這種鉆頭優(yōu)化了切削齒工作面結(jié)構(gòu)和切削軌跡，工作層可快速壓入巖層，其抗壓強度可達160 MPa，適用于破碎堅硬耐磨地層。張紹和等[7-8]選用CoCrMo 合金粉末，通過SLS 技術(shù)，制造出了超薄金剛石鋸片（圖1e）。該鋸片厚度僅0.2 mm，摩擦磨損性能良好。

另外，非金屬基體和金剛石顆粒復(fù)合材料的增材制造也有相關(guān)報道，如陳家泓等[9]采用尼龍、輔助填料和金剛石復(fù)合材料，通過SLS 技術(shù)成形了一種內(nèi)嵌冷卻微流道的砂輪（圖1f）。試驗表明該砂輪可對玻璃、氧化鋁陶瓷和硬質(zhì)合金等硬脆材料進行有效磨削加工。

為了清晰闡述上述3 種AM 工藝成形金剛石工具的特點，以下將詳細介紹各種成形工藝的原理和技術(shù)特點，重點論述3 種工藝成形金剛石工具的關(guān)鍵問題。

1 SLM 技術(shù)成形金剛石工具

SLM 技術(shù)常用于金屬基金剛石工具的成形。成形時，利用激光發(fā)生器發(fā)射并匯集高能激光束，為金屬胎體粉末熔化提供瞬時能量，粉末熔化后冷卻凝固并對其附近金剛石顆粒進行包覆，逐層疊加成形。

1.1 SLM 成形過程

首先使用計算機軟件對零件模型進行切片處理。隨后向SLM 設(shè)備成形腔內(nèi)充入保護性氣體（一般為氮氣或氬氣），使氧氣的體積分數(shù)降低至0.02%以下，以避免材料在成形過程中發(fā)生氧化。然后將送粉缸上升到一定高度，待鋪粉末在刮板的作用下均勻鋪在成形腔的基板上，形成具有一定厚度的粉床層。成形時，通過振鏡使高能激光束在成形平面上移動，粉末與激光相互作用后迅速熔化再冷卻凝固形成當前層。依次逐層累加成形，最后獲得三維制件。成形過程如圖2所示。

圖2 SLM 成形原理及過程示意圖Fig.2 SLM forming principle and process

1.2 SLM 成形金剛石工具優(yōu)勢

SLM 成形時激光掃描速率快，熔化后的粉末迅速冷卻凝固，易形成細小晶粒和過飽和固溶體。因此，SLM 工藝成形的胎體材料常涉及固溶強化、彌散強化、細晶強化等機制[10]。強化機制將大幅提升金屬胎體材料的強度，增強其對金剛石顆粒的把持力。這將會有效提高金剛石工具的強度和性能。

SLM 技術(shù)除了可成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金剛石工具外，還可以成形多材料金剛石工具。如通過控制成形腔工作面上的粉末成分，可實現(xiàn)多材料金剛石工具的成形。周燕等[11]設(shè)計了一種基于SLM 技術(shù)的熱沉取心金剛石鉆頭，該鉆頭包含鉆頭鋼體層（316 不銹鋼）、熱沉材料層（W-Cu 合金）和工作層（WC-Co 和金剛石）。該多級金剛石鉆頭的熱沉材料層有望吸收鉆頭工作層熱量，預(yù)防井內(nèi)發(fā)生燒鉆事故，如圖3所示。

圖3 熱沉取心鉆頭Fig.3 Hot deposition core drill bit

1.3 SLM 成形金剛石工具關(guān)鍵問題

金剛石與胎體材料均勻預(yù)制是SLM 成形金剛石工具的關(guān)鍵問題之一。SLM 成形用粉末的尺寸一般為15～53 μm。在此粒徑范圍的金剛石屬于微粉級別，流動性和形狀規(guī)整度難以保證，導(dǎo)致其在金屬基胎體中均勻分布較為困難，易在成形時發(fā)生裂紋擴展、胎體對金剛石把持力不足及金剛石脫落等現(xiàn)象[12]。一般常采用的機械球磨方法較難實現(xiàn)金剛石在胎體材料中的均勻預(yù)制。而采用真空微蒸鍍和化學(xué)鍍雙鍍層工藝對金剛石表面進行金屬化處理，再以噴霧造?；蛏漕l等離子體球化技術(shù)處理金屬化后的表面，有望實現(xiàn)制備粒度、金剛石含量可控的球形金剛石復(fù)合粉體，改造后的金剛石粉體在胎體材料內(nèi)均勻分散較為容易。

金剛石熱損傷和石墨化同樣是增材制造金剛石工具面臨的關(guān)鍵問題。在SLM 成形過程中，高強度激光束快速投射到金剛石表面，易引起金剛石熱損傷甚至石墨化。段隆臣等對金剛石與激光相互作用后的表面形態(tài)開展了相關(guān)研究，認為激光對金剛石造成的熱損傷主要表現(xiàn)為破碎、翹曲、孔隙發(fā)育以及石墨化，如圖4所示。金剛石熱損傷程度受SLM 成形工藝參數(shù)影響。當激光掃描速率過慢，激光束在金剛石表面停留時間較長，金剛石容易破碎或翹曲。掃描區(qū)域能量聚集使局部溫度急劇升高至1 700 ℃以上時，整個金剛石晶體迅速發(fā)生石墨化[13]，石墨化后的金剛石結(jié)晶形態(tài)一般為隱晶質(zhì)或致密塊狀結(jié)晶[14-16]。當激光掃描速率過快時，金剛石不易損傷[17]，但激光與胎體材料作用時間較短，金屬粉末飛濺現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致胎體材料成形質(zhì)量較差，性能難以滿足應(yīng)用要求。

圖4 金剛石熱損傷及石墨化Fig.4 Thermal damage and graphitization of diamond

因此，SLM 成形過程中需優(yōu)化激光掃描速率、激光功率、掃描路徑等工藝參數(shù)，以有效降低金剛石熱損傷和石墨化。研究表明[18-19]將金剛石表面涂敷上金屬鍍層可有效保護金剛石，同時對成形后的金剛石工具進行熱處理以減小殘余應(yīng)力，有利于金剛石與胎體材料的結(jié)合。

成形件易發(fā)育出裂紋是SLM 成形金剛石工具的又一關(guān)鍵問題。金剛石顆粒的線膨脹系數(shù)低（約1.2 ×10-6K-1）[20]，與金屬胎體材料的線膨脹系數(shù)差距過大，使金剛石成為金屬結(jié)合劑基體中的“點缺陷”。在SLM 成形時，胎體材料與金剛石變形不同步，材料內(nèi)應(yīng)力急劇增大，難以在短時間內(nèi)釋放，導(dǎo)致成形件易發(fā)育出裂紋。段隆臣等對Co-Cr-Mo 金屬基金剛石工具抗彎試樣表面裂紋進行了表征，微裂紋缺陷一般在金剛石顆粒團聚區(qū)域附近出現(xiàn)，若干個微裂紋有時會聯(lián)通形成肉眼可見的表面裂紋，使金剛石工具的強度急劇下降，如圖5所示。使用改性后的金剛石有望減小不同材料間的形變差異，進而提高SLM 成形金剛石工具的致密度和強度。

圖5 Co-Cr-Mo 金屬基抗彎測試樣裂紋發(fā)育情況Fig.5 Cracks development of Co-Cr-Mo metal-based bending test samples

2 SLS 技術(shù)成形金剛石工具

SLS 技術(shù)可用于金屬、高分子、陶瓷基金剛石工具的成形。加工時，借助激光束掃描選定區(qū)域使得材料燒結(jié)或熔融后與金剛石結(jié)合，逐層累加得到三維成形件。

2.1 SLS 成形過程

SLS 成形過程與SLM 類似。成形前，送粉活塞上升將粉末送至工作層，鋪粉輥移動，在工作缸上均勻鋪上一層粉末，工作臺預(yù)熱至稍低于粉末熔化溫度，以減小熱變形。計算機控制激光束的二維平面掃描軌跡，有選擇地燒結(jié)粉末以形成零件的一層[21]。如此循環(huán)往復(fù)，層層疊加，得到三維成形件，如圖6所示。

圖6 SLS 技術(shù)成形原理及過程示意圖Fig.6 SLS technology forming principle and process

2.2 SLS 成形金剛石工具優(yōu)勢

SLS 工藝鋪粉時，鋪粉輥滾動使送粉缸上升的粉末均勻填充工作缸下降層距后產(chǎn)生的空間，無需添加結(jié)構(gòu)支撐。因此，SLS 技術(shù)對金剛石工具的結(jié)構(gòu)限制比較寬松，成形后無支撐結(jié)構(gòu)后處理過程。對于疏松多孔、內(nèi)嵌冷卻微流道等金剛石工具的成形具有優(yōu)勢。

SLS 采用半固態(tài)液相燒結(jié)機制且激光功率較低，可減輕金剛石熱損傷程度、降低金剛石石墨化的風險[22]。對于胎體材料，粉末達到恰好低于其熔點或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，未完全熔化，可在小范圍內(nèi)擴散凝固，成形的金剛石工具受不同材料熱膨脹系數(shù)的影響相對較小，在一定程度上可以降低成形材料積聚的熱應(yīng)力[23]，不易形成明顯的次生裂紋。

2.3 SLS 技術(shù)成形金剛石工具關(guān)鍵問題

胎體材料的有效黏結(jié)是SLS 成形金剛石工具的關(guān)鍵問題之一。當激光對燒結(jié)區(qū)域提供的能量不足時，胎體材料無法有效結(jié)合，使成形的工具對金剛石把持力低、力學(xué)性能差、表面粗糙度高[24]。當激光對燒結(jié)區(qū)域提供的能量過高時，易導(dǎo)致胎體材料溫度突破其熔點，發(fā)生液相損失，增大了金剛石發(fā)生熱損傷或石墨化的概率。因此，在SLS 成形時，調(diào)整優(yōu)化激光參數(shù)，在燒結(jié)時采用高溫燒結(jié)獲得復(fù)雜形狀，后續(xù)浸滲處理可以增大胎體材料結(jié)合力，提高成形件的強度和硬度，減少質(zhì)量缺陷，獲得優(yōu)異的性能。

殘余粉末處理是SLS 成形金剛石工具的另一關(guān)鍵問題。SLS 成形時粉末溫度接近其熔點，因此取出成形件前，還需采取清粉處理，避免燒結(jié)成塊，以降低工具表面粗糙度。SLS 成形用粉量較大、利用率低，因此常在成形設(shè)備中安裝回收裝置以收集未留在工作平面上的粉末。

3 SLA 技術(shù)成形金剛石工具

SLA 技術(shù)常用于光敏樹脂基金剛石工具的成形。成形時，利用紫外光逐點、逐層掃描液態(tài)紫外光敏樹脂材料，引發(fā)被輻射區(qū)域樹脂發(fā)生連鎖化學(xué)反應(yīng)，形成線性、交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，樹脂固化包裹住附近的金剛石顆粒，達到一定強度，通過逐層累積疊加，得到立體成形件。

3.1 SLA 成形過程

SLA 成形前需將光敏樹脂與改性材料、金剛石混合，再向設(shè)備主液槽中一次性填充適量的混合液。在計算機控制下，紫外光沿加工平面逐點掃描，液態(tài)光敏樹脂吸收一定能量后，發(fā)生聚合反應(yīng)[25-26]。每個平面依次堆積，最終形成完整的成形件，如圖7所示。

圖7 SLA 技術(shù)成形原理及過程示意圖Fig.7 SLA technology forming principle and process

3.2 SLA 技術(shù)成形優(yōu)勢

SLA 成形用胎體材料為液態(tài)，且具有一定黏度，為金剛石微粒和改性材料的均勻混合提供了便利，因此成形精度較高。紫外激光的固化功率在10～200 mW 之間，成形時對金剛石的熱損傷極小。以樹脂結(jié)合劑金剛石鋸片（切割片）為例，其使用壽命較高[27]、崩邊率低、成形精度高[28]、結(jié)合強度適中，可用于半導(dǎo)體硅片、光學(xué)玻璃的加工，有望解決我國單晶硅材料加工“卡脖子”問題[29]。

SLA 設(shè)備不需要配置專用的冷卻及保護氣循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)備成本較低。紫外激光功率小、能耗低，樹脂固化速度較快，且液體胎體材料回收相對容易，材料利用率高，金剛石工具生產(chǎn)成本較低。SLA 技術(shù)已經(jīng)開始了樹脂基金剛石工具小規(guī)模量產(chǎn)。

3.3 SLA 成形金剛石工具關(guān)鍵問題

液相固化缺陷是SLA 成形金剛石工具關(guān)鍵問題之一。SLA 成形金剛石工具混合液中含有固液2 種不同形態(tài)的材料，最終得到的成形件可能存在以下缺陷：因分層而引起的階梯效應(yīng)，因STL 格式文件處理的三角面片化而可能造成的轉(zhuǎn)角缺陷，因部分液相樹脂未能固化造成的構(gòu)件缺失。因此，一般需要對SLA 成形的金剛石工具進行后處理，如可用細粉熱熔塑料和乳膠調(diào)制成膩子予以填補。

固化強度低是SLA 成形金剛石工具的另一關(guān)鍵問題。由于紫外激光功率較低以及液態(tài)樹脂聚集成高分子時的收縮特性，若制得的金剛石工具強度、剛度、表面硬度等性能不滿足要求，需再采用紫外燈照射的光固化方式或熱固化方式對金剛石工具進行后固化處理。

SLM、SLS、SLA 技術(shù)目前已開始用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金剛石工具的成形，綜合成形原理及關(guān)鍵技術(shù)問題，不同技術(shù)表現(xiàn)出一定差異，如表1所示[30]。

表1 不同AM 工藝成形金剛石工具情況對比Tab.1 Comparison of different AM processes

4 總結(jié)與展望

高性能金剛石工具設(shè)計與制造是深部鉆探、精密切/磨削加工等重要工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，目前國內(nèi)外增材制造金剛石工具仍處于基礎(chǔ)研究階段，在增材制造用金剛石和胎體材料預(yù)制、金剛石熱損傷及石墨化、金剛石和胎體材料高強結(jié)合等方面存在諸多挑戰(zhàn)，未來可從以下方面重點突破：

（1）仿真分析用于金剛石工具結(jié)構(gòu)設(shè)計。在增材制造金剛石工具之前，根據(jù)金剛石工具應(yīng)用場景，采用計算機模擬仿真，對所設(shè)計的金剛石工具宏微觀結(jié)構(gòu)開展仿真分析，從而獲得可成形的、性能優(yōu)異的金剛石工具結(jié)構(gòu)，如設(shè)計八面通孔結(jié)構(gòu)、內(nèi)置冷卻微流道等。

（2）金剛石與胎體材料的高強結(jié)合。圍繞增材制造工藝流程，可以重點優(yōu)化2 個方面，即成形材料體系優(yōu)化（如胎體材料選擇、金剛石體積濃度配比、胎體材料和金剛石預(yù)制等）和成形參數(shù)優(yōu)化（如激光功率、激光掃描速率、鋪粉層厚、掃描路徑等）。同時建立金剛石與胎體材料結(jié)合理論和量化評價指標，指導(dǎo)增材制造金剛石工具成形。

（3）功能化金剛石工具增材制造。增材制造不僅可以成形復(fù)雜精細結(jié)構(gòu)，還可以實現(xiàn)材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化成形，獲得優(yōu)異的性能，如形狀記憶效應(yīng)、超彈性、熱響應(yīng)、磁激發(fā)功能等。因此，未來可以開發(fā)如鎳鈦形狀記憶合金卡簧鉆頭、壓電陶瓷多級分層鉆頭等功能化金剛石工具，以實現(xiàn)停鉆自動取心、根據(jù)地層情況量化鉆頭設(shè)計等，從而擴展金剛石工具應(yīng)用領(lǐng)域。