金刚石在线讯  以金属材料为黏结相，金刚石为增强颗粒的金属/金刚石复合材料，因具有成本低、金刚石颗粒把持力高、导热性高等特点，在众多领域取得重要应用。

增材制造金刚石/金属复合材料的应用

磨削工具

金刚石因其独特的物理化学特性，如极高的硬度、优异的耐磨性、低热膨胀系数等，广泛应用于硬质材料加工的砂轮、钻头、磨盘等工具。用于表面精磨的多孔金刚石砂轮是金属/金刚石复合材料的重要应用，内部孔隙在金刚石砂轮中起着重要作用，可以用来存储精磨过程中的冷却液，防止磨削过程中温度上升引起的工件损伤，同时协调磨损产生的磨屑。

随着工业产品对磨削质量的要求越来越高，金刚石砂轮的结构越来越复杂，同时对内部孔隙的均匀性和可控性要求越来越高。增材制造技术为复杂结构金刚石砂轮的加工，尤其是内部孔隙的控制提供了一种高效低成本的解决方案。

热管理

由于金刚石是自然界导热性能最好的材料之一，利用金刚石颗粒增强较高热导率的金属基体（如Al、Cu和Ag）可得到兼具极高导热性能和较低热膨胀系数的复合材料。

金刚石/铝、金刚石/铜等是第四代热管理材料的典型代表，有望逐步取代Mo-Cu、Invar合金等传统金属散热材料和Al₂O₃等陶瓷材料。目前，国内外研究主要集中在采用粉末冶金法和液态浸渗法制备这些金刚石复合材料。传统工艺制备的金刚石/铝复合材料热导率可达250~600 W/(m·K)，金刚石/铜复合材料热导率可高达420~900 W/(m·K)。但成形件的致密度以及金刚石颗粒与基体的界面结合性是影响复合材料界面热阻和整体热导率的关键因素。

增材制造技术可实现金刚石颗粒的界面控制，进而增强复合材料的整体导热性能，同时相较于传统制备工艺增材制造技术更易实现材料的近净成型，因此增材制造金刚石/金属复合材料在微电子散热材料领域受到极大关注。

增材制造金刚石/金属复合材料粉体原料的选择

金刚石/金属复合材料通常以粉体作为成形原材料，粉体质量是决定成形零件品质的重要前提条件。制备所用粉体通常由金刚石微粉与金属粉体机械混合而成。

金属粉体的选择

据西安赛隆增材技术股份有限公司研究人员的介绍，为保证金属元素的均匀性和粉体的流动性，金属粉体多选用球形或近球形预合金粉体。目前增材制造领域常用的金属粉体粒度范围为15～53μm（细粉）和53～150μm（粗粉）。常用金属球形粉体的制备技术主要有雾化法（以气雾化为主，包括真空气雾化技术、电极感应雾化技术等）和等离子法（包括等离子旋转电极雾化技术、等离子熔丝雾化技术、等离子球化技术等）。

根据应用环境对金属材料的要求来确定合金成分，通常遵循两个原则：一是合金体系对于增材制造过程应具备较好适应性，有利于优化成形工艺；二是合金与金刚石应具有较好亲和性，有利于金属材料与金刚石表面结合，提高复合材料的力学性能与工艺性能。

另据河南省超硬材料智能制造装备集成重点实验室研究人员介绍，在使用激光选区熔化（SLM）技术制造金刚石工具时，金属及其合金粉体的选择应遵循如下原则：（1）金属及其合金粉体的线膨胀系数应与金刚石的相近，降低界面残余应力。（2）金属及其合金粉体成分简单，组元之间物化及力学性能接近，尽可能为预合金材料。

基于上述原则，目前用于增材制造金刚石/金属复合材料的金属基体主要包括Al基合金粉体、Fe基合金粉体、Ti基合金粉体、Ni基合金粉体、Cu基合金粉体、WC-Co基合金粉体、Co-Cr-Mo粉体、Cu-Sn-Ti-Zr粉体等。

金刚石粉体的选择

常规的金刚石参数包括金刚石浓度、粒度、品级、形状等。粉床型增材制造技术，需要结合使用的分层厚度选择合适的金刚石粒径。基于增材制造过程，有时需要对金刚石表面进行改性处理，表面处理的作用主要体现在3个方面：

（1）对于与金刚石润湿性较差的金属，金属对金刚石把持力会受到一定影响，通常采用金刚石表面改性来提高润湿性并促进表面化学反应。（2）通过金刚石表面改性可提高金刚石与金属基体的结合强度，Ti或Cr元素会发生反应与金刚石晶粒在界面处产生碳化物，从而提高黏结强度。（3）在一些冷喷涂技术中，金刚石颗粒通常采用核壳结构的包覆粉，这样的组合粉体由具有延展性的金属外壳和坚硬或易碎的内核组成。在高速撞击过程中，金属外壳经历剧烈的塑性变形，从而与金刚石形成冶金结合。

金刚石浓度及粉体均匀性

一般来说，金刚石浓度越高，作用效果越明显，金刚石/金属复合材料的耐磨、导热等性能越好。但是增材制造金刚石/金属复合材料也会出现过饱和情况，即当金刚石浓度超过某极限值时，熔化后的金属熔体不能充分流动，无法完全包覆全部金刚石颗粒，同时，金刚石颗粒的成本较高，需要根据实际情况确定复合材料中金刚石浓度。

目前增材制造用粉体原料通常选用金属粉体与金刚石颗粒进行机械混合，而对于粉床型增材制造技术，粉体原料需要重复循环使用，为保证粉体原料均匀性，在重复使用时，需要对粉体均匀性进行评估，以确保成形产品的稳定性。

小结

金属粉体材料如AlSi10Mg、Al12Si、Ti6Al4Vi、Cu-Sn-Ti、Cu-Sn-Ti-Zr、Ni-CrB-Si、Co-Cr-MoL等，尽管在增材制造金刚石工具应用方面展现出潜力，但仍面临与金刚石的热膨胀系数差异大、对金刚石的把持力小等问题，基体材料体系及其物性特征等仍需不断深入研究，开发适应不同类型金刚石工具的专用基体材料。

参考来源：

[1]王辉，贺卫卫，程康康，等：增材制造金刚石颗粒增强金属基复合材料研究进展，西安赛隆增材技术股份有限公司

[2]李诗怡，李妍，董亮洁：增材制造金刚石增强金属基复合材料及其应用，中国地质大学珠宝学院

[3]杜全斌等：激光增材制造金刚石工具的研究现状与展望，河南省超硬材料智能制造装备集成重点实验室