增材制造金刚石工具研究现状及展望＊

陶亚坤，甘 杰，周 燕，段隆臣

（中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 430074）

金刚石工具广泛应用于矿产开发、地质钻探、石油钻采、建筑施工、机械加工、珠宝和光学玻璃加工、电子电器制造等领域[1]。因此，金刚石工具的制造与应用水平是评价一个国家工业生产水平的重要标准。目前，金刚石工具的制造方法主要有烧结、电镀和焊接等，这些制造方法经过长时间的研发已较为成熟，能够生产出常规的、满足较多应用场景的金刚石工具，且生产成本较低，占据市场主导地位。然而，随着应用领域对金刚石工具性能要求的不断提升，上述制造方法难以满足更高的要求，如复杂形状和精细结构的金刚石工具一体化成形、内嵌流道的精密结构成形、区域成分性能精确控制成形等，亟须寻求新的制造工艺。

近年来兴起的增材制造（additive manufacturing，AM）技术以数字模型为基础，以丝材、粉材、液材、片材等为成形材料，通过能量源逐层加工的方式来快速成形零件[2]，将三维制造降为二维制造，使成形自由度大幅提高。AM 技术现已广泛应用于航空航天、生物医疗、汽车、模具制造等领域，为形状复杂化、结构精密化、性能高端化的金刚石工具制造提供了新思路。

AM 技术细分为多种工艺，目前应用于金刚石工具制造的AM 工艺主要有激光选区熔化（selective laser melting，SLM）、激光选区烧结（selective laser sintering，SLS）和立体光固化成形（stereo lithography appearance，SLA）等。国内外学者以金属、陶瓷、树脂等作为胎体材料与金刚石颗粒复合，构成增材制造用材料体系。采用上述不同的AM 工艺成形出砂轮、锯片、钻头等金刚石工具（如图1所示），针对性地解决了复杂结构工具成形、金刚石热损伤、内应力消除、材料强化、成分控制、新型材料结合等问题，并逐步尝试将其推向市场化应用。

图1 AM 成形的金刚石工具Fig.1 Diamond tools formed by AM

SLM 用典型材料（如铝合金、铜合金、钛合金等）与金刚石颗粒复合材料的增材制造已有相关研究，如TIAN 等[3]以AlSi10Mg 为胎体材料，采用SLM 技术成形了具有八面体通孔的金刚石砂轮（图1a）。在减少材料损耗的同时保证了砂轮的机械性能，使砂轮使用过程中散热能力大幅提高，容屑能力增强，减小了砂轮的热损伤。GAN 等[4]采用Cu-Sn-Ti 合金材料与体积分数为25%的金刚石颗粒配成粉末体系，利用SLM 技术成形了孕镶金刚石钻头工作层（图1b）。与同牌号烧结试样相比，SLM 成形的工作层具有更好的耐磨性，胎体与金刚石的结合力更强。张俊涛[5]等采用Ti6Al4V作为胎体材料，利用SLM 技术成形了孕镶金刚石工作层（图1c），金刚石颗粒分散相对均匀，镶嵌在胎体中，保持了金刚石颗粒的完整性，抗弯强度适中。

硬质脆性合金与金刚石颗粒复合材料的增材制造也开始了相关研究，如WU 等[6]以Co-Cr-Mo 球形合金粉末作为胎体材料，与体积分数为5%的金刚石微粉均匀混合，在合适的SLS 成形工艺参数下，实现了栅格状金刚石钻头的成形（图1d）。这种钻头优化了切削齿工作面结构和切削轨迹，工作层可快速压入岩层，其抗压强度可达160 MPa，适用于破碎坚硬耐磨地层。张绍和等[7-8]选用CoCrMo 合金粉末，通过SLS 技术，制造出了超薄金刚石锯片（图1e）。该锯片厚度仅0.2 mm，摩擦磨损性能良好。

另外，非金属基体和金刚石颗粒复合材料的增材制造也有相关报道，如陈家泓等[9]采用尼龙、辅助填料和金刚石复合材料，通过SLS 技术成形了一种内嵌冷却微流道的砂轮（图1f）。试验表明该砂轮可对玻璃、氧化铝陶瓷和硬质合金等硬脆材料进行有效磨削加工。

为了清晰阐述上述3 种AM 工艺成形金刚石工具的特点，以下将详细介绍各种成形工艺的原理和技术特点，重点论述3 种工艺成形金刚石工具的关键问题。

1 SLM 技术成形金刚石工具

SLM 技术常用于金属基金刚石工具的成形。成形时，利用激光发生器发射并汇集高能激光束，为金属胎体粉末熔化提供瞬时能量，粉末熔化后冷却凝固并对其附近金刚石颗粒进行包覆，逐层叠加成形。

1.1 SLM 成形过程

首先使用计算机软件对零件模型进行切片处理。随后向SLM 设备成形腔内充入保护性气体（一般为氮气或氩气），使氧气的体积分数降低至0.02%以下，以避免材料在成形过程中发生氧化。然后将送粉缸上升到一定高度，待铺粉末在刮板的作用下均匀铺在成形腔的基板上，形成具有一定厚度的粉床层。成形时，通过振镜使高能激光束在成形平面上移动，粉末与激光相互作用后迅速熔化再冷却凝固形成当前层。依次逐层累加成形，最后获得三维制件。成形过程如图2所示。

图2 SLM 成形原理及过程示意图Fig.2 SLM forming principle and process

1.2 SLM 成形金刚石工具优势

SLM 成形时激光扫描速率快，熔化后的粉末迅速冷却凝固，易形成细小晶粒和过饱和固溶体。因此，SLM 工艺成形的胎体材料常涉及固溶强化、弥散强化、细晶强化等机制[10]。强化机制将大幅提升金属胎体材料的强度，增强其对金刚石颗粒的把持力。这将会有效提高金刚石工具的强度和性能。

SLM 技术除了可成形复杂结构的金刚石工具外，还可以成形多材料金刚石工具。如通过控制成形腔工作面上的粉末成分，可实现多材料金刚石工具的成形。周燕等[11]设计了一种基于SLM 技术的热沉取心金刚石钻头，该钻头包含钻头钢体层（316 不锈钢）、热沉材料层（W-Cu 合金）和工作层（WC-Co 和金刚石）。该多级金刚石钻头的热沉材料层有望吸收钻头工作层热量，预防井内发生烧钻事故，如图3所示。

图3 热沉取心钻头Fig.3 Hot deposition core drill bit

1.3 SLM 成形金刚石工具关键问题

金刚石与胎体材料均匀预制是SLM 成形金刚石工具的关键问题之一。SLM 成形用粉末的尺寸一般为15～53 μm。在此粒径范围的金刚石属于微粉级别，流动性和形状规整度难以保证，导致其在金属基胎体中均匀分布较为困难，易在成形时发生裂纹扩展、胎体对金刚石把持力不足及金刚石脱落等现象[12]。一般常采用的机械球磨方法较难实现金刚石在胎体材料中的均匀预制。而采用真空微蒸镀和化学镀双镀层工艺对金刚石表面进行金属化处理，再以喷雾造粒或射频等离子体球化技术处理金属化后的表面，有望实现制备粒度、金刚石含量可控的球形金刚石复合粉体，改造后的金刚石粉体在胎体材料内均匀分散较为容易。

金刚石热损伤和石墨化同样是增材制造金刚石工具面临的关键问题。在SLM 成形过程中，高强度激光束快速投射到金刚石表面，易引起金刚石热损伤甚至石墨化。段隆臣等对金刚石与激光相互作用后的表面形态开展了相关研究，认为激光对金刚石造成的热损伤主要表现为破碎、翘曲、孔隙发育以及石墨化，如图4所示。金刚石热损伤程度受SLM 成形工艺参数影响。当激光扫描速率过慢，激光束在金刚石表面停留时间较长，金刚石容易破碎或翘曲。扫描区域能量聚集使局部温度急剧升高至1 700 ℃以上时，整个金刚石晶体迅速发生石墨化[13]，石墨化后的金刚石结晶形态一般为隐晶质或致密块状结晶[14-16]。当激光扫描速率过快时，金刚石不易损伤[17]，但激光与胎体材料作用时间较短，金属粉末飞溅现象明显，导致胎体材料成形质量较差，性能难以满足应用要求。

图4 金刚石热损伤及石墨化Fig.4 Thermal damage and graphitization of diamond

因此，SLM 成形过程中需优化激光扫描速率、激光功率、扫描路径等工艺参数，以有效降低金刚石热损伤和石墨化。研究表明[18-19]将金刚石表面涂敷上金属镀层可有效保护金刚石，同时对成形后的金刚石工具进行热处理以减小残余应力，有利于金刚石与胎体材料的结合。

成形件易发育出裂纹是SLM 成形金刚石工具的又一关键问题。金刚石颗粒的线膨胀系数低（约1.2 ×10-6K-1）[20]，与金属胎体材料的线膨胀系数差距过大，使金刚石成为金属结合剂基体中的“点缺陷”。在SLM 成形时，胎体材料与金刚石变形不同步，材料内应力急剧增大，难以在短时间内释放，导致成形件易发育出裂纹。段隆臣等对Co-Cr-Mo 金属基金刚石工具抗弯试样表面裂纹进行了表征，微裂纹缺陷一般在金刚石颗粒团聚区域附近出现，若干个微裂纹有时会联通形成肉眼可见的表面裂纹，使金刚石工具的强度急剧下降，如图5所示。使用改性后的金刚石有望减小不同材料间的形变差异，进而提高SLM 成形金刚石工具的致密度和强度。

图5 Co-Cr-Mo 金属基抗弯测试样裂纹发育情况Fig.5 Cracks development of Co-Cr-Mo metal-based bending test samples

2 SLS 技术成形金刚石工具

SLS 技术可用于金属、高分子、陶瓷基金刚石工具的成形。加工时，借助激光束扫描选定区域使得材料烧结或熔融后与金刚石结合，逐层累加得到三维成形件。

2.1 SLS 成形过程

SLS 成形过程与SLM 类似。成形前，送粉活塞上升将粉末送至工作层，铺粉辊移动，在工作缸上均匀铺上一层粉末，工作台预热至稍低于粉末熔化温度，以减小热变形。计算机控制激光束的二维平面扫描轨迹，有选择地烧结粉末以形成零件的一层[21]。如此循环往复，层层叠加，得到三维成形件，如图6所示。

图6 SLS 技术成形原理及过程示意图Fig.6 SLS technology forming principle and process

2.2 SLS 成形金刚石工具优势

SLS 工艺铺粉时，铺粉辊滚动使送粉缸上升的粉末均匀填充工作缸下降层距后产生的空间，无需添加结构支撑。因此，SLS 技术对金刚石工具的结构限制比较宽松，成形后无支撑结构后处理过程。对于疏松多孔、内嵌冷却微流道等金刚石工具的成形具有优势。

SLS 采用半固态液相烧结机制且激光功率较低，可减轻金刚石热损伤程度、降低金刚石石墨化的风险[22]。对于胎体材料，粉末达到恰好低于其熔点或玻璃化转变温度，未完全熔化，可在小范围内扩散凝固，成形的金刚石工具受不同材料热膨胀系数的影响相对较小，在一定程度上可以降低成形材料积聚的热应力[23]，不易形成明显的次生裂纹。

2.3 SLS 技术成形金刚石工具关键问题

胎体材料的有效黏结是SLS 成形金刚石工具的关键问题之一。当激光对烧结区域提供的能量不足时，胎体材料无法有效结合，使成形的工具对金刚石把持力低、力学性能差、表面粗糙度高[24]。当激光对烧结区域提供的能量过高时，易导致胎体材料温度突破其熔点，发生液相损失，增大了金刚石发生热损伤或石墨化的概率。因此，在SLS 成形时，调整优化激光参数，在烧结时采用高温烧结获得复杂形状，后续浸渗处理可以增大胎体材料结合力，提高成形件的强度和硬度，减少质量缺陷，获得优异的性能。

残余粉末处理是SLS 成形金刚石工具的另一关键问题。SLS 成形时粉末温度接近其熔点，因此取出成形件前，还需采取清粉处理，避免烧结成块，以降低工具表面粗糙度。SLS 成形用粉量较大、利用率低，因此常在成形设备中安装回收装置以收集未留在工作平面上的粉末。

3 SLA 技术成形金刚石工具

SLA 技术常用于光敏树脂基金刚石工具的成形。成形时，利用紫外光逐点、逐层扫描液态紫外光敏树脂材料，引发被辐射区域树脂发生连锁化学反应，形成线性、交联结构的高分子聚合物，树脂固化包裹住附近的金刚石颗粒，达到一定强度，通过逐层累积叠加，得到立体成形件。

3.1 SLA 成形过程

SLA 成形前需将光敏树脂与改性材料、金刚石混合，再向设备主液槽中一次性填充适量的混合液。在计算机控制下，紫外光沿加工平面逐点扫描，液态光敏树脂吸收一定能量后，发生聚合反应[25-26]。每个平面依次堆积，最终形成完整的成形件，如图7所示。

图7 SLA 技术成形原理及过程示意图Fig.7 SLA technology forming principle and process

3.2 SLA 技术成形优势

SLA 成形用胎体材料为液态，且具有一定黏度，为金刚石微粒和改性材料的均匀混合提供了便利，因此成形精度较高。紫外激光的固化功率在10～200 mW 之间，成形时对金刚石的热损伤极小。以树脂结合剂金刚石锯片（切割片）为例，其使用寿命较高[27]、崩边率低、成形精度高[28]、结合强度适中，可用于半导体硅片、光学玻璃的加工，有望解决我国单晶硅材料加工“卡脖子”问题[29]。

SLA 设备不需要配置专用的冷却及保护气循环系统，设备成本较低。紫外激光功率小、能耗低，树脂固化速度较快，且液体胎体材料回收相对容易，材料利用率高，金刚石工具生产成本较低。SLA 技术已经开始了树脂基金刚石工具小规模量产。

3.3 SLA 成形金刚石工具关键问题

液相固化缺陷是SLA 成形金刚石工具关键问题之一。SLA 成形金刚石工具混合液中含有固液2 种不同形态的材料，最终得到的成形件可能存在以下缺陷：因分层而引起的阶梯效应，因STL 格式文件处理的三角面片化而可能造成的转角缺陷，因部分液相树脂未能固化造成的构件缺失。因此，一般需要对SLA 成形的金刚石工具进行后处理，如可用细粉热熔塑料和乳胶调制成腻子予以填补。

固化强度低是SLA 成形金刚石工具的另一关键问题。由于紫外激光功率较低以及液态树脂聚集成高分子时的收缩特性，若制得的金刚石工具强度、刚度、表面硬度等性能不满足要求，需再采用紫外灯照射的光固化方式或热固化方式对金刚石工具进行后固化处理。

SLM、SLS、SLA 技术目前已开始用于复杂结构的金刚石工具的成形，综合成形原理及关键技术问题，不同技术表现出一定差异，如表1所示[30]。

表1 不同AM 工艺成形金刚石工具情况对比Tab.1 Comparison of different AM processes

4 总结与展望

高性能金刚石工具设计与制造是深部钻探、精密切/磨削加工等重要工业领域的关键技术，目前国内外增材制造金刚石工具仍处于基础研究阶段，在增材制造用金刚石和胎体材料预制、金刚石热损伤及石墨化、金刚石和胎体材料高强结合等方面存在诸多挑战，未来可从以下方面重点突破：

（1）仿真分析用于金刚石工具结构设计。在增材制造金刚石工具之前，根据金刚石工具应用场景，采用计算机模拟仿真，对所设计的金刚石工具宏微观结构开展仿真分析，从而获得可成形的、性能优异的金刚石工具结构，如设计八面通孔结构、内置冷却微流道等。

（2）金刚石与胎体材料的高强结合。围绕增材制造工艺流程，可以重点优化2 个方面，即成形材料体系优化（如胎体材料选择、金刚石体积浓度配比、胎体材料和金刚石预制等）和成形参数优化（如激光功率、激光扫描速率、铺粉层厚、扫描路径等）。同时建立金刚石与胎体材料结合理论和量化评价指标，指导增材制造金刚石工具成形。

（3）功能化金刚石工具增材制造。增材制造不仅可以成形复杂精细结构，还可以实现材料-结构-功能一体化成形，获得优异的性能，如形状记忆效应、超弹性、热响应、磁激发功能等。因此，未来可以开发如镍钛形状记忆合金卡簧钻头、压电陶瓷多级分层钻头等功能化金刚石工具，以实现停钻自动取心、根据地层情况量化钻头设计等，从而扩展金刚石工具应用领域。