中国粉体网讯在中国粉体网主办�?025高端金属粉体制备与应用技术大会期间，我们邀请到中南大学张伟教授做客《对话》栏目，围绕金刚石超硬复合材料用金属粉末原料及超硬工具的增材制造技术做了以下访谈、�/p>

中国粉体网：作为金刚石工具粘结相的金属粉体，它的材料成分有哪些？对它的性能要求是什么？常规的制粉方法是什么？

张教授：我来自于中南大学粉末冶金研究院，长期以来主要从事粉末冶金工具材料的研究。金刚石超硬材料制品是粉末冶金工具的重要组成部分，天然金刚石是目前自然界里最硬的物质，我们国家现在在人造金刚石合成方面在全球有非常明显的战略优势。金刚石本身作为磨粒，需要通过粘结相对它进行固结定型，从而实现对加工产品的精细化的磨削或切削加工的过程、�/p>

从微观层面来讲，金刚石本身属于非常稳定的立方晶体结构，它跟很多金属材料的浸润性都不是很好。在这种情况下，我们首先考虑就是要能够跟金刚石之间形成很好的结合的材料。其次，金刚石本身的膨胀系数非常低，而金属材料膨胀系数跟金刚石相比可以差一两个数量级。在这种情况下，如果在加工过程中温度变化比较大，也会导致它们之间的界面出现一些缺陷、�/p>

从宏观层面来讲，材料加工主要依靠金刚石受力，如何实现对金刚石磨粒的高把持力，而且在这个把持的过程中整个基体又能够有很好的一个保形性，因此对于工具整体的力学性能提出一定的要求、�/p>

此外，金刚石本身还有一个特点就是热稳定性不好，在空气环境中，它在六七百度就会出现氧化失重，因此我们就尽量避免采用高熔点材料。基于以上这些情况，我们一般用的是比如铜、铁、镍等作为工具粉末材料，我们也称之为基础工具粉、�/p>

第二类就是为了降低熔点，我们会往里面掺一些比如锡，把熔点降下来，这样它在烧结过程中就可以实现低温下的固结成型、�/p>

第三类，你可以把它想象成牙齿和牙龈的关系，很多情况下我们牙齿实际还很好，但是牙龈出现了状况导致牙齿脱落，实际上并没有发挥作用，所以说牙龈和牙齿之间的力学的匹配性非常重要。同样，金属材料在耐磨性方面要跟金刚石有很好的匹配，适当的时候需要增强基体的耐磨性和硬度，从而跟金刚石更好地匹配，而不至于过早地磨损失效。因此在这种情况下我们又往里面加一些钨、碳化钨，从而来提高基体的硬度和耐磨性、�/p>

常规情况下我们一般是采用这种方式，把这些材料混合均匀，然后通过模压成型，后续再通过烧结形成一定形状的比如说砂轮，如果是聚晶材料的话，就需要高温高压下合成，让它形成一些D-D键或者D-M-D的键合形式，不同场景下的要求都不一样、�/p>

这其中的金属粉体原料，传统的制备方法主要还是采用像水雾化的方法，因为成本比较低，此外水雾化制备的粉末形状是比较不规则的，冷压成型性比较好。再者，水雾化因为它提供的动能破碎的能量是比较大的，能获得比较细的粉，比较符合对冷压成型性的要求、�/p>

随着产业的发展，大家对于粉末稳定性的要求越来越高，就是产品的一致性要求更高。传统的是通过单质粉或者通过单质粉和预合金粉混合的这种方式，它会带来一个问题，就是稳定性和一致性会受到影响和挑战。中南大学提出了粘结相的高熵设计思路，就是之前说的多主元合金，直接把它做成这种物相单一的、性质稳定的粉末，或采用金属间化合物，它兼具陶瓷和金属的一些特性，可以灵活地调控它们之间的性能，但同时又可以保证它的稳定性与一致性。但是，现在咱们国家金刚石制品用粘结相这个行业发展相对于其他的粉末冶金的行业是比较滞后的、�/p>

目前粘结剂用金属粉体原料主流用的还是水雾化法，也有通过电解技术来实现。国外比较高端的金属粉体现在主要有以下几个发展方向，第一个是往超细方向走，如何获得粒度更加细，甚至到亚微米级别的，然后均匀性、一致性非常好，而且粉末的收得率比较高、�/p>

第二个就是往多元、预合金方向，但每个企业有自己特有的配方，这样就不利于整个行业的发展。这实际上就需要像粉体网这样的一个全行业的平台能够把大家整合在一起实现顶层设计、�/p>

中国粉体网：金刚石复合材料的增材技术相比纯金属或者合金类材料的增材制造，它有什么特点、难点？

张教授：我们在超硬工具行业躬耕了很长时间，发现从传统的成型工艺角度去改变现有的产业，目前的难度是非常大的。但是实际上在很多应用场景，比如像一些精密加工的行业，它对于磨削、对容屑、冷却，甚至对于一些曲面加工，提出非常高的要求。那么这种情况下，我们通过传统的模压成型有个很大的局限，就是没有办法实现一些复杂结构成型、�/p>

此外第二个问题，目前金刚石虽然说成本降下来了，但是它毕竟还是属于高附加值产品，在这种情况下，如何把金刚石用在“刀刃”上，把它充分地利用起来而不至于过早地脱落或者说失效，如果通过增材制造的方式，可以把金刚石磨粒的利用率发挥到极致，正是在这样的背景下提出来了新的方向，就是往增材制造方向发展、�/p>

增材制造的发展主要有两个方向，一个是热打印，就是通过热熔的方式，它的热源一般是激光、电子束，以及电弧等等这些形式。这类方式其实并不罕见，因为激光钎焊金刚石工具其实很接近热打印。但是这种方式会面临一个问题，就是因为金刚石本身耐热性不行，通过热熔的方式势必会面临几个挑战，第一个就是金刚石的热烧损，熔池的环境下会出现烧损，就会影响到它的一些性能的发挥。第二个就是界面的热应力，因为金刚石和粘结相物理性质是不一样的，力学性能也差别比较大。在这种环境下，物性的差异会导致非常大的应力产生，出现缺陷、裂纹、孔洞、�/p>

这些年我们在这方面也做了非常多的基础性研究工作，适时地提出通过冷打印成型。所谓的冷打印其实也就是通过打印来实现构型。我们中南大学有一个成果转化的企业深圳升华三维科技有限公司，他们是通过挤出式成型在构型这个环节替代传统模压。冷打印后续的脱脂烧结还是采用我们传统的粉末冶金的工艺，这样就具备了工业化量产确保一致性的条件。现在在复杂构型的模具设计，还有一些复合片甚至钻头体设计这一块，我们已经在应用这种技术做了一些开创性的工作。它可以很好地实现在固相烧结这种环境下来确保它们的固结，很好地保留了金刚石的性能。目前我们也正在做一些相关的评价和测试。这个工作我们还有一个背景就是基于国家重点研发计划项目，也是国家层面重要的工程应用方向之一、�/p>

3D打印金刚石复合材料现在采用的是粉床式的，基于它对流动性的要求，原来的不规则形状粉体就不适用了，现在要用球形粉体去做。再有就是我们的材料体系发生了变化，过去是把它们简单混合、模压成型就可以了，现在是要在熔池液相环境下甚至喂料的环境下。液相环境下有多材料，里面不但有金刚石，还有金属结合剂；喂料或者冷打印环境下，它里面含有高分子材料，还需要做成一定预制形状的，比如说颗粒料，实现更好的、稳定的流动送料，这实际上已经完全颠覆了我们传统意义上对工具粉末的需求、�/p>

除此之外，现在金刚石制品方向用的比较多的像铜这种传统材料，它属于激光的高反射材料，对激光能量的吸收率是比较低的。这种情况下我们就要适当地对它进行改性，比如说进行合金化的处理，甚至说直接替代，以其他的形式来替代。这提出了非常多的挑战，这也是我们现在重点开展的工作、�/p>

3D打印金刚石工具用金属粉体的国产化情况目前还不太好，因为这个方向应用端并没有打通，目前厂家主要的应用场景还都是传统的。这跟超硬工具行业相对封闭有关系。因为大家也要保证自己的生存，各自开发自己的配方粉末，这就导致了我们这么多年其实对于工具粉这一块没有形成行业的通用的牌号或者是标准。所以这个工作是非常有意义的、�/p>

中国粉体网：高端金刚石复合材料工具的典型应用场景有哪些？

张教授：如高端工具方面，我们现在重点针对结构功能一体化，比如说像曲轴加工。它的磨具实际上是一个异形磨具，我们了解到现在比如说�?M、圣戈班，他们其实在磨粒工具的增材构型方面已有成熟的产品推向市场、�/p>

除此之外，如深海深地钻探，钻头体设计怎么去跟岩层更好地进行力学的匹配性。这里面实际上对于结构，对于金刚石钻具的应力分布都有关系。此外，还有半导体加工，以及半导体的封装（热沉材料），现在构型化也是一个趋势。这些场景其实在国内都还属于卡脖子的地方、�/p>

国外最早曝�?D打印用于超硬工具的实际上是瑞典的山特维克，他们很早就提出来了。但是提出来之后由于这个信息还是比较敏感的，他们只是打个样。他们用的是光固化的方式做了一个金刚石含量比较高的类似于聚晶一样的产品，相当于在概念上占领了一个制高点。但是因为金刚石这个方向是比较敏感的，全世界很多国家，尤其是发达国家其实对这块是属于信息封闭的，它并没有大范围地进行宣传和拓展。我们通过各种渠道了解到些真实情况，目前大家其实都在往这方面发展、�/p>

中国粉体网：您目前在科研成果转化方面有什么进展？

张教授：我们团队主要基于中南大学粉末冶金的学科和科研优势，围绕金刚石超硬/功能复合材料的基础应用研究与产业转化方向，重点在几个方面开展工作，第一，就是特定应用场景下的工具粉末的设计与制备技术开发，以及粉末制品的应用评价。第二就是新型结�?功能一体化金刚石复合材料制品的设计研发。在国内，尤其是在湖南和江西，团队与很多企业保持紧密和良好的合作关系。当然，我们也希望借助中国粉体网这个平台，能有更多对于超硬制品和超硬工具粉末感兴趣的企业朋友多联系和交流，不管是技术交流还是走向合作的方向，我们都是持比较开放的态度、�/p>

（中国粉体网编辑整理/平安（�/p>

注：图片非商业用途，存在侵权告知删除�?/p>