增材制造金刚石颗粒增强金属基复合材料研究进展

Research progress in diamond-reinforced metal matrix composites fabricated by additive manufacturing

论文基本信息

作者：王辉, 贺卫卫, 程康康, 李会霞, 赵培, 王新锋, 王宇

单位：西安赛隆增材技术股份有限公司

关键词：增材制造；金属/金刚石复合材料；飞溅；金刚石石墨化

DOI：10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000172

摘要

金刚石颗粒增强金属基复合材料同时具备金属和金刚石的优良特性，作为功能材料、耐磨材料等在众多领域有着重要应用。增材制造技术为金属/金刚石复合材料复杂构件的直接成形提供新途径，极大地增加构件设计的自由度。本文基于常用于制备金属/金刚石复合材料的激光选区熔化、激光熔覆、冷喷涂等几种典型增材制造技术，从粉末原料和成形过程的主要技术难点、应用场景等方面，介绍增材制造金属/金刚石复合材料的研究进展。着重讨论成形过程中金刚石飞溅及石墨化的产生原因、影响及主要解决方法，最后总结增材制造金属/金刚石复合材料面临的挑战和未来发展方向。面临的挑战主要表现在增材制造过程中，出现金刚石飞溅、金属与金刚石颗粒界面控制、金刚石石墨化、金刚石颗粒破损等问题。其中，需要解决的问题侧重于优化成形工艺，实现复合材料致密性、界面结合、金刚石防护等几方面协同控制。

内容精选

背景情况：

金刚石因独特的晶体结构及强的C―C 键使其具有优良的耐磨性、耐腐蚀性、导热性及化学稳定性，广泛用于硬质合金、光学玻璃、半导体材料、磨削工具等重要的超硬耐磨表面。其中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。传统金属/金刚石复合材料通常采用高温高压烧结、真空热压烧结、微波烧结、熔体浸渗等方法制备。但是，由于工艺技术的限制，对于异型、超薄、内部流道等复杂结构的零件，需要进行复杂的模具设计及机加工处理，而金属/金刚石类复合材料的加工难度和成本较高，制约着材料的发展。

本文工作：

本工作介绍几种常用的金属/金刚石复合材料增材制造技术，并从原料、成形过程的技术难点、主要应用等方面介绍增材制造金属/金刚石复合材料的研究进展。

研究现状：

（1）金属/金刚石复合材料增材制造技术

目前报道的用于制备金属/金刚石复合材料的增材制造技术主要基于粉末原料，包括激光选区熔化、激光熔覆、冷喷涂等。

（2）增材制造用粉末原料

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

（3）增材制造金属/金刚石复合材料面临的主要技术难题

按成形过程的温度范围，可将常用的金属/金刚石复合材料增材制造技术分为高温增材制造技术和低温增材制造技术，两者面临的主要技术难题有所不同。对于高温增材制造技术（如激光选区熔化技术、激光熔覆技术等），成形过程为金属相熔化为金属熔体，金刚石颗粒在金属熔体内发生颗粒的移动和重排。与单一金属材料相比，增强颗粒的存在使得成形过程面临更复杂的物理现象，未熔化的颗粒在增材制造致密化过程中会产生负面影响。同时，高温熔池与金刚石接触也使得成形过程面临的界面问题更为复杂。对于低温增材制造技术（如冷喷涂技术），虽然低于金属熔点的成形温度有效避免金刚石的高温损伤，但是因为冷喷涂过程中高速粒子直接冲击基体，对于脆性颗粒来说，在高速冲击过程中金刚石极易发生破裂，需要对颗粒之间碰撞问题进行针对性研究。（见图1~图3）

图 1 激光束扫描金刚石飞溅过程二维（a）和三维（b）示意图

图 2 金刚石飞溅过程中的粉末碰撞 　（a）扫描方向；（b）碰撞粉末；（c）碰撞区域

图 3 熔化策略对粉末床和成形样品表面质量的影响 　（a） SLM 成形机中单层控制系统示意图；（b）常规熔化后的粉末床图像；（c） 重复铺粉后的粉末床图像；（d） 重复熔化后的粉末床图像；（e） 经过不同熔化策略得到的成形部件

（4）主要应用领域

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。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，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也受到极大关注。

未来展望：

相较于传统粉末冶金制备技术，金属/金刚石复合材料增材制造技术成本略高。同时，金刚石颗粒的存在导致金属熔池稳定性较差、金刚石颗粒与高温熔池接触时易发生损伤、成形质量和精度的控制难度较大等问题。迄今为止，国内外关于金刚石颗粒增强金属基复合材料的研究还较少，仍处于基础研究阶段，成形样品的性能和稳定性与传统方法制备的金属/金刚石复合材料仍有一定差距。同时，复合材料致密化与缺陷形成机制及高温熔池作用下金刚石石墨化机理尚不明确。因此，在复合材料的结构与成分设计、增材制造工艺优化等方面仍然需要大量研究工作，通过系统实验建立工艺参数-成型质量-金刚石完整度-性能之间的关系，指导金属/金刚石复合材料构件的成形工艺。其中，重点需要解决的问题是优化成形工艺，实现复合材料致密性、界面结合、金刚石防护等方面协同控制。

引用格式：

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[J]. 航空材料学报，2025，45(2)：18-27.

WANG Hui，HE Weiwei，CHENG Kangkang，et al. Research progress in diamond-reinforced metal matrix composites fabricated by additive manufacturing[J]. Journal of Aeronautical Materials，2025，45(2)：18-27.

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