在材料科學領域，金剛石顆粒增強金屬基復合材料憑借金屬與金剛石的優良特性，在眾多領域展現出巨大應用潛力。而增材制造技術（俗稱 3D 打印技術）的興起，更為這種復合材料復雜構件的直接成形開辟了新途徑。今天，就讓我們一起深入了解一下增材制造金剛石顆粒增強金屬基復合材料的研究進展。

       增材制造技術：復合材料成形新選擇

       傳統制備金屬 / 金剛石復合材料的方法，如高溫高壓燒結、真空熱壓燒結等，在面對異型、超薄、內部流道等復雜結構零件時，常因模具設計和機加工處理復雜、加工成本高而受限。增材制造技術則不同，它以粉末、液體、絲材等為原料，基于零件三維模型，通過逐點 - 逐線 - 逐層堆積的方式實現材料成形，具有材料利用率高、工序少、生產效率高、能制造復雜結構零件等諸多優勢。目前，用于金屬 / 金剛石復合材料制備的增材制造技術主要有以下幾種：

       激光選區熔化技術（SLM）：該技術依據零件三維模型切片信息，利用激光束選擇性熔化粉末層，形成含金剛石顆粒的微熔池，層層累積最終成形零件，在精密復雜結構直接成形方面優勢顯著。         激光熔覆技術（LC）：通過激光束將熔覆材料與基材熔凝，在基材表面制備出性能優異的含有金剛石顆粒的耐磨層。其熔覆材料供給方式分為預置式和同步式兩種，相比傳統電鍍、釬焊工藝，能有效提高表層與基體的結合力。

       冷噴涂技術（CS）：這是一種基于高速粒子固態沉積的涂層制備方法。微粉在被加速撞擊到基材上后形成涂層，由于全程處于低溫狀態，可避免金剛石在高溫沉積過程中出現的熱損傷、殘余熱應力和相變等問題，在金剛石耐磨層制備上潛力巨大。

        粉末原料：復合材料性能的基石

       金屬 / 金剛石復合材料多以粉末作為成形原料，粉末質量直接決定了成形零件的品質。

       金屬粉末的選擇：為保證金屬元素均勻性和粉末流動性，常選用球形或近球形預合金粉末，常用粒度范圍為 15 - 53μm（細粉）和 53 - 150μm（粗粉） ，制備技術包含霧化法和等離子法。確定合金成分時，既要考慮其對增材制造過程的適應性，也要關注其與金剛石的親和性。目前，Al 合金、Fe 合金、Ti 合金等多種合金體系被用于增材制造金屬 / 金剛石復合材料。研究發現，Ti 基合金在界面反應、石墨化控制等方面綜合性能更優，但 Co、Fe、Ni 等元素可能促進金剛石石墨化，需謹慎選擇。       金剛石粉末的選擇：常規金剛石參數眾多，可按需選擇。對于粉床型增材制造技術，要結合分層厚度確定合適粒徑。此外，對金剛石表面進行改性處理十分必要，它能提高與金屬的潤濕性、增強與金屬基體的結合強度，在冷噴涂技術中還能使金剛石顆粒與金屬外殼形成冶金結合。

       金剛石濃度及粉末均勻性：一般來說，金剛石濃度越高，復合材料的耐磨、導熱性能越好，但過高濃度會導致金屬熔體無法充分包裹金剛石顆粒，且成本增加，因此需根據實際需求確定濃度。對于粉床型增材制造技術，由于粉末要重復循環使用，所以評估粉末均勻性對保證成形產品穩定性至關重要。

       技術難題：前行路上的挑戰

       在增材制造金屬 / 金剛石復合材料的過程中，還面臨著諸多技術難題。

       金剛石飛濺問題：在復合材料增材制造過程中，金剛石飛濺現象明顯，這可能導致金屬液滴球化，進而形成孔隙缺陷，尤其在金剛石含量較高時更為突出。飛濺不僅造成材料損失，還會影響熔化軌跡的連續性，導致粉末缺失，影響下一層粉末鋪展，加劇層厚的不連續性和不均勻性。飛濺主要分為蒸發引起的飛濺和夾帶引起的飛濺，增加激光能量密度對控制飛濺作用有限，而通過重復熔化可有效抑制飛濺和成形缺陷。

       金屬與金剛石顆粒界面控制：當金剛石與高溫熔池接觸，界面會發生復雜反應，這直接影響基體對金剛石的把持力以及復合材料的物理性能。不同合金體系的界面反應不同，例如 AlSi 系基體材料，在低激光能量密度下可得到潔凈界面，高能量密度下則會形成氧化物層和碳化物層，降低復合材料的導熱性能。此外，由于金剛石與金屬基體熱膨脹系數不同，界面處還易產生殘余應力，導致金剛石顆粒周圍出現裂紋。

       金剛石的石墨化問題：金剛石熱穩定性差，受到高能束流沖擊或與高溫熔池接觸時易發生石墨化，這會嚴重影響復合材料的使用性能。多項研究表明，激光選區熔化過程中的高溫熱傳導、熱沖擊，以及合金中的某些元素都會加劇金剛石的石墨化。通過控制熔池溫度，能在一定程度上控制石墨化現象。

       金剛石顆粒的破損：此問題主要出現在冷噴涂技術中。盡管冷噴涂的低成形溫度避免了金剛石的高溫損傷，但高速粒子沖擊基體時，脆性的金剛石顆粒極易破碎。研究發現，沉積樣品內部破損金剛石顆粒的含量與沖擊速度和破損速度的比值有關，在金剛石表面包覆緩沖層可緩解沖擊損傷。

       應用領域：潛力無限的舞臺

       增材制造金屬 / 金剛石復合材料憑借其優良性能，在多個領域得到應用。

       工具材料領域：在硬質材料加工的砂輪、鉆頭、磨盤等工具材料方面，增材制造技術優勢明顯。比如，利用該技術制備的多孔鋁合金 / 金剛石復合材料砂輪，孔隙率可調，性能優于傳統電鍍法制備的產品；制備的特殊結構鉆頭和磨盤，能優化切削面結構，提高工作效率。

       散熱材料領域：金剛石導熱性能極佳，與高導熱金屬基體復合后，通過增材制造技術控制界面，可獲得導熱性能高、熱膨脹系數低的復合材料，在微電子行業散熱材料領域備受關注。

       未來展望：機遇與挑戰同在

       目前，增材制造金屬 / 金剛石復合材料仍處于基礎研究階段。與傳統粉末冶金制備技術相比，其成本較高，且存在金屬熔池穩定性差、金剛石易損傷、成形質量和精度控制難度大等問題。復合材料致密化與缺陷形成機制、金剛石石墨化機理尚不明確。未來，需要在復合材料結構與成分設計、增材制造工藝優化等方面開展大量研究工作，建立工藝參數與成型質量、金剛石完整度、性能之間的關系，實現復合材料致密性、界面結合、金剛石防護等多方面的協同控制。

       相信隨著研究的不斷深入和技術的持續進步，增材制造金剛石顆粒增強金屬基復合材料必將在更多領域大放異彩，為材料科學的發展注入新的活力。