張?jiān)弃Q, 黃景鑾, 宋運(yùn)運(yùn), 陸 靜, 李彩虹

(1. 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司, 鄭州 450001)

(2. 華僑大學(xué) 制造工程研究院, 福建 廈門(mén) 361021)

金剛石是目前地球上硬度最高的物質(zhì)，其耐磨性高、化學(xué)穩(wěn)定性好、摩擦系數(shù)低等，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[1-2]。在工業(yè)上，金剛石常作為磨料用于磨削、切削、拋光、鉆探加工等，如用于砂輪、磨盤(pán)、PCD刀具、金剛石鉆頭等工具上[3-5]。金剛石工具加工時(shí)具有加工精度高、工具壽命長(zhǎng)、加工應(yīng)力小、效率高等優(yōu)點(diǎn)[6]。

傳統(tǒng)金剛石工具的制備方法主要有熱壓燒結(jié)法、電鍍法和釬焊法等，其金剛石磨粒固結(jié)方式如圖1所示[7]。熱壓燒結(jié)法和電鍍法時(shí)由于磨料與結(jié)合劑之間僅存在機(jī)械鑲嵌作用，在使用過(guò)程中常出現(xiàn)金剛石顆粒脫落從而對(duì)被切削表面造成不同程度損傷且出刃率低等問(wèn)題；釬焊法溫度過(guò)高，易導(dǎo)致金剛石碳化、機(jī)械強(qiáng)度降低等。提高金剛石磨料與結(jié)合劑的界面結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)避免金剛石碳化，從而充分發(fā)揮金剛石的優(yōu)良特性一直是研究的重點(diǎn)[8-10]。

圖1 金剛石工具中不同磨粒的固結(jié)方式

利用傳統(tǒng)方法制造金剛石工具時(shí)需要多種復(fù)雜制備工藝結(jié)合，設(shè)計(jì)受限于制造，且生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)。而3D打印技術(shù)也稱“增材制造”(additive manufacturing，AM)技術(shù)，是基于離散-堆積原理，將零件三維數(shù)據(jù)離散化處理成點(diǎn)、線、面，然后逐層疊加材料，實(shí)現(xiàn)工件從零到近凈成形的技術(shù)。因而3D打印技術(shù)可以在一臺(tái)設(shè)備上快速精確地制備出任何形狀復(fù)雜的精密零件，拓寬了設(shè)計(jì)空間，減少了加工工序，提高了材料利用率，可大幅降低工件研發(fā)周期和生產(chǎn)成本[11-12]。2019年，全球AM產(chǎn)品和服務(wù)達(dá)到158億美元；Wohlers Report 2019預(yù)測(cè)，2022年AM收入將增至239億美元[13]。3D打印可以通過(guò)控制金剛石的顆粒排布，來(lái)優(yōu)化工具結(jié)構(gòu)進(jìn)而提高其性能，是未來(lái)金剛石工具制備的發(fā)展方向之一。

1 3D打印技術(shù)的分類及特點(diǎn)

3D打印技術(shù)以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，使用金屬、塑料等可黏合材料，通過(guò)逐層疊加的方式來(lái)構(gòu)造物體[14]。目前，用于制造金剛石工具的3D打印技術(shù)主要有選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(selective laser sintering，SLS)、激光選區(qū)熔化技術(shù)(selective laser melting，SLM)、立體光固化技術(shù)(stereolithography，SLA)、漿料直寫(xiě)成型技術(shù)(direct ink writing，DIW)等4種，其打印技術(shù)的對(duì)比如表1所示[15]。

表1 3D打印技術(shù)對(duì)比

1.1 SLS技術(shù)

SLS技術(shù)可加工各種粉末材料，成形時(shí)先把粉末材料鋪在工作臺(tái)上，激光束按照CAD數(shù)據(jù)掃描，將粉末加熱至略低于其熔化溫度后燒結(jié)成固體。一層完成后，工作臺(tái)下降一個(gè)截面層的高度(通常小于0.1 mm),再進(jìn)行新一層的鋪粉和燒結(jié)，直到打印完整個(gè)三維實(shí)體，物體冷卻后再將其取出，如圖2所示。SLS可成形的材料廣，包括塑料、聚合物、金屬以及復(fù)合粉末等，材料利用率高，可以打印任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)(如鏤空結(jié)構(gòu)和中空結(jié)構(gòu)等)，目前主要用于小批量零件的生產(chǎn)和原型件制造中[16-17]。且SLS可通過(guò)設(shè)計(jì)帶有內(nèi)冷卻流道的金剛石工具，避免其加工過(guò)程中出現(xiàn)堵塞和燒傷問(wèn)題。

圖2 SLS打印原理圖

1.2 SLM技術(shù)

SLM技術(shù)是在選擇性激光燒結(jié)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，它利用高能激光束掃描路徑上的粉末，選擇性地熔化粉末并凝固成形；單層成形后，工作艙下降一層高度，鋪粉器重新鋪放一層粉末，再凝固成形；如此反復(fù)，層層堆積，直到制造出成形零件，如圖3所示。同時(shí)，整個(gè)制造過(guò)程都是在氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.5%的惰性氣體中完成。

圖3 SLM打印原理圖

SLS是將粉末加熱到略低于其熔化溫度時(shí)使部分粉末熔化而融合在一起，而SLM是將粉末充分熔化成液態(tài)后快速致密化，因此可成形近全致密零件且不需要其他后處理。SLM適合于金屬基材料的成形，包括鐵基合金、鎳基合金、鋁合金、鈦合金、鎂合金及其復(fù)合材料等[18-20]。SLM可將金屬材料與金剛石顆?；旌衔锎蛴〕山饎偸ぞ?，同時(shí)優(yōu)化制品結(jié)構(gòu)，控制其孔隙率，提高其抗疲勞壽命和斷裂韌性[21]。

1.3 SLA技術(shù)

SLA技術(shù)是一種集控制技術(shù)、激光技術(shù)、物理化學(xué)技術(shù)于一體的快速原型制造技術(shù)，是使用一種或多種液態(tài)樹(shù)脂和支撐材料在一定波長(zhǎng)的紫外光作用下發(fā)生光聚合反應(yīng)，使單體和低聚物固化成剛性或柔性實(shí)體，如圖4所示。打印完成后，三維實(shí)體需進(jìn)行后處理以除去表面未固化的樹(shù)脂和支撐物，且一些功能零件可通過(guò)后固化提高其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。所有3D打印技術(shù)中，SLA的精度和分辨率最高，工件的表面光潔度最好，加工速度快，產(chǎn)品強(qiáng)度高，適用于注塑模型、快速原型制造和刀具制造。但SLA系統(tǒng)和材料成本高昂，專業(yè)的SLA打印機(jī)需數(shù)千美元。將SLA與數(shù)字光處理(digital light processing，DLP)技術(shù)結(jié)合開(kāi)發(fā)桌面SLA打印機(jī)，可有效降低其生產(chǎn)成本[22-23]。

圖4 SLA打印原理圖

1.4 DIW技術(shù)

DIW是一種基于流體漿料擠出的固體成形方式，采用具有剪切變稀特性的漿料，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制噴嘴移動(dòng)路徑，擠出絲狀材料層，層層疊加制備三維實(shí)體，如圖5所示[24]。

圖5 DIW打印原理圖

DIW使用的材料黏度較大，所選用的噴嘴直徑(10 μm及以上)比噴墨打印(ink jet printing，IJP)的大。該技術(shù)無(wú)需激光條件和任何模具，可以在常溫下成形微米級(jí)以下產(chǎn)品；還可成形大高寬比結(jié)構(gòu)，無(wú)支撐制備不連續(xù)結(jié)構(gòu)，這在其他3D打印技術(shù)中是難以實(shí)現(xiàn)的。DIW可用于制備多孔支架、集成電路部件、木堆結(jié)構(gòu)等，在光電領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)治療具有很大的應(yīng)用前景，如制備傳感器、電池、過(guò)濾器、生物結(jié)構(gòu)等。此外，DIW適用于制備網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，打印網(wǎng)格狀金剛石工具時(shí)能有效降低表面溫度，節(jié)約成本[25-26]。

總之，傳統(tǒng)方法制備的金剛石工具磨料與結(jié)合劑之間較難形成化學(xué)冶金結(jié)合，易導(dǎo)致金剛石顆粒過(guò)早脫落等。但SLS、SLM等使用的高能激光束可以將金屬粉末完全熔化，使金剛石磨粒與金屬間形成化學(xué)冶金結(jié)合，金剛石顆粒與結(jié)合劑結(jié)合牢固，成形的產(chǎn)品具有合金化程度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

2016年，YANG等[27-28]采用SLS技術(shù)制備了金剛石砂輪，激光功率為300～500 W，能量密度為342 J/mm2，掃描速度為25～35 mm/min，并以二氧化碳為保護(hù)氣體。制作的砂輪中金剛石顆粒規(guī)則排布，且磨削力均勻分布，提高了工件表面加工質(zhì)量，如圖6所示。隨后磨削測(cè)試表明：當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速為20 m/s，磨削深度為0.08 mm時(shí)，金剛石無(wú)脫落現(xiàn)象。但SLS使用激光燒結(jié)金剛石和結(jié)合劑，激光能量較低時(shí)金剛石易脫落，能量過(guò)高時(shí)金剛石又存在部分石墨化現(xiàn)象。

(a)金剛石規(guī)則排布 (b)燒結(jié)后金剛石形貌 (c)磨削后金剛石形貌

楊展等[29]采用SLM制備了金屬基金剛石復(fù)合材料，制備條件是激光功率為180～200 W，掃描速度為700～900 mm/s，掃描間距為0.07 mm，鋪粉厚度為0.3 mm。結(jié)果表明：未被激光直接掃過(guò)的金剛石顆粒仍然保持了較好的晶形和完整的晶面，而SLM成形的金屬基胎體對(duì)金剛石包鑲緊密，在金剛石表面與合金粉末接觸處存在浸潤(rùn)薄層，表明其結(jié)合方式為冶金結(jié)合方式，有利于保證金剛石的包鑲強(qiáng)度。然而在制備過(guò)程中，因金剛石顆粒導(dǎo)熱率高，熔池冷卻速度快，冷卻過(guò)程中金屬結(jié)合劑和金剛石的結(jié)合界面處存在殘余應(yīng)力，易形成脆性相，且難以保證金剛石的均勻分布等[30-31]。

SLA固化的材料為樹(shù)脂等，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致其熔化，因此激光溫度不超過(guò)100 ℃，一般不會(huì)出現(xiàn)金剛石石墨化的問(wèn)題。將SLA應(yīng)用于金剛石工具制造中，可實(shí)現(xiàn)其快速成形，且能控制金剛石顆粒的精確排布。邱燕飛等[32]從金剛石顆粒排布展開(kāi)研究，使用立體光固化技術(shù)研究了金剛石顆粒呈環(huán)形、螺旋形或矩形分布的樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪，如圖7所示。

圖7 SLA打印金剛石砂輪

2 3D打印的金剛石工具

直接打印金剛石顆粒的難度較大，只有專利中出現(xiàn)過(guò)此類制備方法[33]。但通過(guò)結(jié)合劑將金剛石顆粒黏結(jié)成一定的幾何形狀，就可以降低打印的難度，提高其結(jié)合強(qiáng)度。金剛石工具所使用的結(jié)合劑可分為樹(shù)脂結(jié)合劑、金屬結(jié)合劑和陶瓷結(jié)合劑3種。樹(shù)脂結(jié)合劑黏性和彈性好；金屬結(jié)合劑熔點(diǎn)低，韌性好；陶瓷結(jié)合劑對(duì)金剛石顆粒的結(jié)合強(qiáng)度高于樹(shù)脂結(jié)合劑的，自銳性優(yōu)于金屬結(jié)合劑的。此外，金屬-陶瓷復(fù)合結(jié)合劑綜合了2種材料的優(yōu)異性能，也受到了廣泛關(guān)注。利用3D打印技術(shù)制造金剛石工具，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自由，打印出功能梯度結(jié)構(gòu)，控制工具中氣孔的形狀、尺寸，使金剛石顆粒分布均勻等。

2.1 3D打印樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石工具

以樹(shù)脂為黏結(jié)材料，金屬粉末、金屬氧化物和金剛石為填充原料混合制成成形料，經(jīng)過(guò)一定的工藝可制成樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石工具。樹(shù)脂結(jié)合劑主要包括酚醛樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂等，具有彈性好、耐沖擊性和抗腐蝕能力好、固化溫度低等優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)方法制備樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石工具時(shí)需經(jīng)樹(shù)脂研磨混合、熱壓成形、固化、脫模成坯體，再后續(xù)處理制成制品等工序，其加工周期長(zhǎng)、工藝較復(fù)雜，不適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的快速成形[34]。

引入3D打印技術(shù)制備樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石工具可大幅縮短生產(chǎn)周期，打印出特殊結(jié)構(gòu)來(lái)提高工具散熱能力，降低加工時(shí)的應(yīng)力等。Sandvik公司首次利用SLA技術(shù)打印了樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石薄膜，這種超硬薄膜材料可用于工業(yè)領(lǐng)域[35]。2018年，DU等[36]以尼龍為結(jié)合劑，空心玻璃球?yàn)樵炜讋?，代?hào)為M 34/42的金剛石微粉為磨料，利用SLS打印了帶內(nèi)冷卻微流道的樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪，如圖8所示。圖8中的內(nèi)冷卻微流道有助于提高砂輪的散熱能力，降低其磨削力和工件的表面粗糙度；而且，SLS燒結(jié)樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪時(shí)的溫度約為170 ℃，可有效避免金剛石的石墨化。然而，樹(shù)脂結(jié)合劑存在耐熱性較差，制作的工具磨損量大的問(wèn)題。

圖8 樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪

2.2 3D打印金屬結(jié)合劑金剛石工具

用金屬結(jié)合劑制備金剛石工具時(shí)，其線膨脹系數(shù)應(yīng)與金剛石的相近， 且對(duì)金剛石顆粒把持力要好。目前，金屬結(jié)合劑主要有鈷基、銅基、鐵基、鎢基以及預(yù)合金粉末等，且金屬結(jié)合劑金剛石工具強(qiáng)度高、耐磨性好、保形性好、承載力高。但傳統(tǒng)方法制備的金屬結(jié)合劑工具常面臨工件表面燒傷、金剛石顆粒脫落、使用壽命短等問(wèn)題。研究人員利用3D打印技術(shù)制備了金剛石砂輪和鉆頭，可以有效解決上述問(wèn)題，如圖9所示。

(a)多孔砂輪 (b)柵格狀砂輪 (c)功能梯度結(jié)構(gòu)砂輪

為了解決金屬結(jié)合劑工具磨削過(guò)程中因瞬時(shí)高溫產(chǎn)生的燒傷問(wèn)題和堵塞問(wèn)題，3D打印技術(shù)可通過(guò)設(shè)計(jì)多孔晶格結(jié)構(gòu)，提高砂輪的磨削性能。TIAN等[37-39]將重點(diǎn)放在優(yōu)化砂輪氣孔上，以AlSi10Mg為結(jié)合劑，利用SLM技術(shù)制備了具有八面體通孔的砂輪(圖9a)，通孔孔徑為1.5 mm，孔隙率為53%時(shí)的機(jī)械強(qiáng)度和磨削性能最佳；且八面體通孔結(jié)構(gòu)在減少材料損耗的同時(shí)保證了砂輪的機(jī)械性能，提高了其散熱能力，增大了容屑空間。

在鉆探工具上，研究人員打印了網(wǎng)格狀、柵格狀結(jié)構(gòu)工具，既節(jié)省了材料，又提高了工作效率。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的金剛石鉆頭能夠承受的壓力較小，WU等[40-41]以Inconel 718 /Co-Cr-Mo合金為結(jié)合劑制備了柵格狀金剛石鉆頭，柵格片有呈徑向同心分布的工作層，最內(nèi)層與最外層厚度為0.2～1.0 mm，中間層厚度為0.5～1.0 mm，柵格片間的最佳間距為2 mm，如圖9b所示，圖9b中的1為外部柵格片，2為內(nèi)部柵格片，3為中間柵格片，4為水道，5為基體，6為柵格片，7為柵格片間距。此鉆頭優(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，抗壓強(qiáng)度可達(dá)160 MPa，適用于破碎深層礦物顆粒較大的堅(jiān)硬巖層。

同時(shí)，3D打印技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形方面也有明顯優(yōu)勢(shì)，但在處理時(shí)對(duì)金剛石來(lái)說(shuō)存在激光溫度過(guò)高等問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，RAHMANI等[42-44]通過(guò)SLM和火花等離子燒結(jié)(spark plasma sintering，SPS)2種技術(shù)相結(jié)合制備了功能梯度網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的鉆探工具，其底層為316L不銹鋼/Ti6Al4V材料，延展性好，抗裂性高；中間層為316L不銹鋼/Ti6Al4V-金剛石復(fù)合材料；頂層為鍍鎳金剛石，金剛石硬度高、耐磨性好，如圖9c所示。動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果表明：功能梯度結(jié)構(gòu)的抗沖擊性和變形程度明顯優(yōu)于單一結(jié)構(gòu)的。2種技術(shù)相結(jié)合可提高金剛石顆粒分布的均勻性，減少金剛石的石墨化。

2.3 3D打印陶瓷結(jié)合劑金剛石工具

陶瓷結(jié)合劑對(duì)金剛石顆粒的潤(rùn)濕和包覆性好，可黏結(jié)金剛石顆粒，提高金剛石工具強(qiáng)度；同時(shí)，陶瓷結(jié)合劑金剛石工具自銳性好，氣孔率和氣孔尺寸可控，硬度和強(qiáng)度高。但高溫下燒結(jié)時(shí)金剛石極易被氧化和石墨化，特別是與其他材料混合時(shí)更顯著，因此需盡量降低陶瓷結(jié)合劑的燒結(jié)溫度。為了降低陶瓷結(jié)合劑的熔點(diǎn)以降低其燒結(jié)溫度，常加入硼玻璃、氧化鋰、氧化鈉等低熔點(diǎn)氧化物[45-46]。目前，陶瓷結(jié)合劑熔點(diǎn)可達(dá)680 ℃以下，且燒結(jié)后幾乎零變形。隨著低熔點(diǎn)陶瓷結(jié)合劑的開(kāi)發(fā)，其金剛石工具的優(yōu)勢(shì)更加顯著。然而，由于陶瓷材料硬度較高，很難被制成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工具，但結(jié)合3D打印技術(shù)就可制備出復(fù)雜結(jié)構(gòu)工具以實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。目前，DAVID等[33]申請(qǐng)了專利，使用預(yù)陶瓷化聚合物和納米顆?；旌咸畛洳牧希纱蛴〕鰩缀跞魏涡螤畹暮饎偸w粒的材料，但仍未制造出實(shí)體工具。此外，本課題組采用DIW技術(shù)制備了網(wǎng)格、三角多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪，制備過(guò)程如圖10所示。圖10中的成品氣孔率可控且分布均勻，燒結(jié)后金剛石無(wú)石墨化現(xiàn)象；且多孔結(jié)構(gòu)磨具可有效提高容屑、排屑能力并提高材料去除率。

圖10 DIW打印金剛石工具流程圖

將國(guó)內(nèi)外主要研究者的成果綜合起來(lái)，得到3D打印金剛石工具的材料及工藝參數(shù)表2。

表2 國(guó)內(nèi)外主要3D打印金剛石工具的材料及工藝參數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)及展望

3D打印適用于精密零件的小批量生產(chǎn)，可以打印聚合物、金屬、陶瓷等多種材料，在機(jī)械制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹了用于制備金剛石工具的3D打印SLS、SLM、SLA、DIW技術(shù)的基本原理及其在金剛石工具制備方面的研究進(jìn)展，分析了不同結(jié)合劑3D打印金剛石工具的特點(diǎn)，并列出了所選用的材料和主要工藝參數(shù)。

未來(lái)3D打印金剛石工具應(yīng)解決的關(guān)鍵問(wèn)題和發(fā)展方向如下：

(1)金剛石在高溫打印過(guò)程中存在石墨化等問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化打印參數(shù)，在金剛石表面鍍覆金屬等來(lái)防止金剛石表面的氧化、產(chǎn)生孔洞等，同時(shí)使用高性能結(jié)合劑來(lái)保證其界面結(jié)合強(qiáng)度。

(2)金剛石工具在使用過(guò)程中存在磨具易堵塞、散熱差等問(wèn)題，未來(lái)金剛石工具將向著優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，如制備功能梯度結(jié)構(gòu)、內(nèi)冷卻流道和不同網(wǎng)格結(jié)構(gòu)等，以提高其散熱能力。

(3)3D打印的金剛石工具還存在表面質(zhì)量差、殘余應(yīng)力高等問(wèn)題，將3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)處理技術(shù)相結(jié)合互相補(bǔ)充，以制備高效率、超精密、低損傷的金剛石工具。

(4)不同結(jié)合劑各有優(yōu)缺點(diǎn)，制備陶瓷/金屬、陶瓷/樹(shù)脂等復(fù)合結(jié)合劑工具，可綜合不同結(jié)合劑的優(yōu)勢(shì)，而制備出復(fù)合材料的多功能金剛石工具。