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CN120839068A - 一种聚晶金刚石-硬质合金整体螺旋刀具增材制造工艺 - Google Patents

一种聚晶金刚石-硬质合金整体螺旋刀具增材制造工艺

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CN120839068A
CN120839068A CN202511357420.XA CN202511357420A CN120839068A CN 120839068 A CN120839068 A CN 120839068A CN 202511357420 A CN202511357420 A CN 202511357420A CN 120839068 A CN120839068 A CN 120839068A
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cemented carbide
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Abstract

本发明涉及一种刀具的制备方法，具体涉及一种聚晶金刚石‑硬质合金整体螺旋刀具增材制造工艺。本发明通过增材制造分别成型带槽型的硬质合金基体生坯、匹配槽型的金刚石PCD刀刃生坯，将硬质合金基体生坯脱脂预烧结后与脱脂后的金刚石刀刃坯采用过盈配合的方式组合后进行高温高压处理，得到螺旋结构PCD刀具刀头；所述高温高压处理的压力为5~10GPa，温度为1400~1700℃。本发明不仅避开了刀头焊接导致的热损伤、耐热性差等系列问题，还得到了具有高界面结合强度的硬质合金‑聚晶金刚石复合体。本发明工艺简单可控，所得产品性能优良，便于产业化应用。

Description

一种聚晶金刚石-硬质合金整体螺旋刀具增材制造工艺
技术领域
本发明涉及一种刀具的制备方法，具体涉及一种聚晶金刚石（PCD）-硬质合金整体螺旋刀具增材制造工艺。
背景技术
聚晶金刚石（PCD）作为一种超硬材料，具有极高的硬度和耐磨性，其与硬质合金结合制成的刀具，在加工高强铝合金、碳纤维复合材料等难切削材料方面表现出色，能够显著提高加工效率和质量。因而在航空航天、汽车、模具制造等高端制造业领域具有广泛的应用前景。
螺旋结构PCD刀具相对于平面刃口结构刀具，具有以下突出优势：螺旋刃参与切削刃长更长更稳定，切削力分布更均匀，冲击载荷更低，加工稳定性更高，切削工艺窗口更宽；排屑效率较平面刃口结构刀具的直槽显著提升，适用场景更广；切削热分散更均匀，降低热损伤失效，提高刀具寿命；螺旋刃渐进式参与切削，避免平面刃瞬间应力集中，更适用于硬脆材料和纤维复合材料等难加工材料加工。
传统的PCD刀具主要采用焊接与机加工组合方式制备。如：专利申请CN116117334A、CN113977641A就记载了：将与硬质合金复合经高温高压制备的PCD大圆片按目标刀具结构切割后，与预留槽型的刀具基体焊接，再通过车削、铣削、磨削等多道机加工工序实现刀具形状和尺寸精度要求。其中，焊接工艺虽能实现PCD与硬质合金结合，但对焊接工艺要求较高，需要精确控制焊接温度、时间等参数，常用的高频焊、激光焊接等难以精确控制，导致易出现焊接不牢、虚焊等问题，且由于焊接过程的高温产生的连接处热应力，容易使刀具在受到较大切削力或冲击力时损坏，影响刀具的整体强度和可靠性，降低其使用寿命。此外，受限于PCD刀片原始长径比，以及机加工工序受限于刀具、磨具行程，难以制备如大角度、多旋向的复杂形状的整体式螺旋刀具。由于当前PCD刀具主要采用大直径的薄聚晶金刚石复合片切割后焊接制备，再通过机加工实现目标刀具结构和尺寸精度精修，制得的是平面刃口结构PCD刀具，难以实现螺旋结构刀具焊接及加工。而且现有采用聚晶金刚石复合片焊接制成的PCD刀具，其工作层与焊接面相近，切削过程产生的切削热、切削力显著影响焊接面的结合强度，导致加工精度降低或PCD刀具提前失效。
近年来，已有整体式PCD刀具的相关报道。如:专利CN118357467A采用压制工艺在硬质合金棒料表面形成螺旋结构金刚石料层，在高温高压工艺条件下将金刚石和硬质合金烧成一体，可实现大角度PCD螺旋刀头制备。然而，由于HTHP工艺需要将硬质合金基体和金刚石粉体组合放置在钼/锆/铌等材质的金属杯中高温高压，粉体压制过程操作难、效率低，并且带螺旋槽的硬质合金刀头基体加工定位困难。
发明内容
由于当前PCD刀具主要采用PCD较薄（<1mm）的大圆片切割后与硬质合金焊接制备，受限与焊料强度、焊接温度限制，实际PCD寿命难以达到其本征材料性能；受限于PCD平片结构限制，无法满足复杂工况下的大角度、多旋向等结构PCD刀具制备。因此本发明首次提供一种高效简便的高设计自由度PCD刀具制备方法。
本发明一种聚晶金刚石-硬质合金整体螺旋刀具增材制造工艺，通过增材制造分别成型带槽型的硬质合金基体生坯、匹配槽型的金刚石（PCD）刀刃生坯，将硬质合金基体生坯脱脂预烧结后与脱脂后的金刚石刀刃坯采用过盈配合的方式组合后进行高温高压处理，得到螺旋结构PCD刀具刀头；所述高温高压处理的压力为5~10GPa、优选为6~8GPa，温度为1400~1700℃、优选为1450~1550℃。
在本发明中，之所以要对硬质合金基体生坯进行脱脂预烧结后，再与脱脂后的金刚石刀刃坯采用过盈配合的方式组合，是因为硬质合金生坯和金刚石生坯预烧结收缩率不同，极易导致组合结构变形崩塌。在技术探索时，发现如果硬质合金基体生坯进行脱脂预烧结的温度过高、时间过长则会导致基体烧结致密化，基体中Co向金刚石刀刃迁移趋势增强降低刀刃性能、基体与金刚石刀刃致密化过程的界面结合性变差以及高温高压过程中尺寸收缩差异大导致的加工量增大等等问题，如果金刚石生坯完成脱脂后，也进行预烧结则会导致极易出现偏离设计结构以及降低成品性能等等问题。基于上述探索，对本发明的方案做出了优选。
本发明中，PCD刀刃生坯可通过填粉法或PEP、FDM、FFF、SLA、BJP、SLS等增材制造工艺制备。其中，采用填粉法装填，在小角度螺旋结构刀具可实现，但在大角度螺旋结构中，难以实现密实填充，导致HTHP后PCD去除量大、PCD保有量低，机加工成本高；
带槽型的硬质合金基体生坯可采用机加工开槽制备，或通过激光、PEP、FDM、FFF、SLA、BJP、SLS等增材制造工艺制备；机加工的槽型表面光洁，与PCD刀刃结合面积降低，界面结合强度降低，切削稳定性降低。
在实际应用时，上述方案所得刀头再经过安装刀柄、磨外圆、排屑槽和刃口加工，制得目标结构PCD刀具。并实现PCD刀刃与硬质合金基体的高强度界面结合，以及PCD刀刃的高保有量，以满足复杂工况下特殊结构PCD刀具的制备需求。
作为优选，本发明一种聚晶金刚石-硬质合金整体螺旋刀具增材制造工艺，具体技术方案如下：
（1）金刚石喂料制备：以有机高分子材料、粘结剂、金刚石微粉为原料，通过混合密炼、破碎、筛分制得金刚石喂料；其中，金刚石和粘结剂质量比为90-99：1-10，优选为93-97:3-7；金刚石+粘结剂的粉末装载量为45-60vol.%，优选为50-55vol.%；粘结剂为Co、Ni、Co-Ni、Co-Ni-Fe、Mo、Al-Si等至少一种，优选为Co；金刚石粒径小于等于35μm，可以是单一粒径。也可采用粒径级配，但此时主粒径颗粒尺寸优选为1-20μm。
所述有机高分子材料包括填充剂、骨架、增塑剂、表面活性剂，质量比分别为55-75：25-40：2-5：3-5；填充剂包括聚甲醛（POM）、聚乙二醇（PEG）、固体石蜡（PW）、液体石蜡（LPW）、微晶蜡（MW）中的一种或多种，优选为PW和MW按质量比40-50：15-20混合；骨架包括高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚丙烯（PP）、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）、聚乳酸（PLA）中的一种或多种，优选为HDPE和EVA按质量比20-25：10-15混合；增塑剂选自邻苯二甲酸二辛酯（DOP）、邻苯二甲酸二丁酯（DBP）、磷酸三甲酚酯（TCP）、柠檬酸三丁酯（TBC）中的至少一种，优选为DOP；表面活性剂选自硬脂酸（SA）、油酸（OA）中的至少一种、优选为SA。
（2）硬质合金喂料制备：以有机高分子物质和硬质合金粉为原料，通过混合密炼、破碎、筛分制得硬质合金喂料；其中，硬质合金粉的粉末装载量为50-70vol.%，优选60-65vol.%；硬质合金粉的Co含量为5-16wt.%，优选8-10wt；WC晶粒度范围小于等于10μm，优选0.2-3μm。硬质合金粉中混有0.5-3wt.%的W粉，使烧结后基体呈贫碳组织，以避免热脱脂可能存在的残碳影响；同时，轻微的贫碳组织有利于抑制硬质合金基体与PCD界面处的异常WC晶粒长大，减缓界面处应力集中。
所述有机高分子物质包括填充剂、骨架、增塑剂、表面活性剂，质量比分别为45-80：20-45：2-5：1-5；填充剂包括聚甲醛（POM）、聚乙二醇（PEG）、固体石蜡（PW）、液体石蜡（LPW）、微晶蜡（MW）中的一种或多种，优选为PW和MW按质量比40-50：10-40混合；骨架包括高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚丙烯（PP）、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）、聚乳酸（PLA）中的一种或多种，优选为HDPE和EVA按质量比10-30：10-30混合；增塑剂选自邻苯二甲酸二辛酯（DOP）、邻苯二甲酸二丁酯（DBP）、磷酸三甲酚酯（TCP）、柠檬酸三丁酯（TBC）中的至少一种，优选为DOP；表面活性剂选自硬脂酸（SA）、油酸（OA）中的至少一种、优选为SA。
（3）生坯增材制造：通过切片软件将目标三维结构硬质合金基体、PCD刀刃转化为打印设备可识别的多层二维结构图。并设置打印参数；分别采用步骤（1）、（2）所制得的金刚石喂料、硬质合金喂料，按设定参数打印，得到目标三维结构的硬质合金基体（对应刀头基体）、金刚石（对应PCD刀刃）打印生坯。
基于步骤（1）、（2）优选的金刚石喂料、硬质合金喂料配方，金刚石生坯打印参数优选为：层厚0.05-0.15mm，喷嘴尺寸（即走线宽度）0.2-0.4mm，打印温度120-140℃，平台温度50-70℃，打印速度10-25mm/s；硬质合金生坯打印参数优选为：层厚0.1-0.25mm，喷嘴尺寸0.2-0.8mm，打印温度120-150℃，平台温度50-90℃，打印速度20-50mm/s。更小的层厚、走线宽度、打印速度可实现更高精度的生坯打印，但会降低打印效率，可根据模型尺寸进一步优选打印参数。此外，考虑3D打印过程的取向性，模型沿模型螺旋槽型轴向打印，以保证成型结构精度。对于螺旋角度较大的金刚石刀刃，可构建支撑模型，保证成型精度，在与硬质合金基体组合前去除支撑结构即可。
（4）溶剂脱脂：分别将硬质合金、金刚石打印生坯至于脱脂溶剂中进行脱脂处理以去除石蜡、DOP、SA等低分子量有机高分子，得到脱脂棕坯。脱脂溶剂可以为正庚烷、煤油等。溶剂脱脂工艺为30-60℃，脱脂时间12-36h。
（5）硬质合金预烧结：采用真空脱脂-烧结一体炉对硬质合金进行热脱脂及烧结。其中热脱脂阶段为室温至600-650 ℃，升温速率为0.5-2 ℃/min，时间为90-180min，以去除有机高分子骨架；预烧结温度为900-1300℃、优选为1000-1100℃，升温速率为3-8℃/min，时间为60-120min；使硬质合金坯体具有一定强度和致密度。
（6）金刚石与硬质合金组装：将金刚石脱脂坯与硬质合金预烧结坯过盈组装，然后置于高温高压用的钼/锆/铌金属杯中，对金刚石层进行热脱脂及原料净化处理，热脱脂工艺为室温至600-650℃，升温速率为0.5-2℃/min，以去除有机高分子骨架；原料净化工艺为900-1000℃真空热处理1-2h，升温速率为2-5 ℃/min，以去除金刚石表面杂质。
（7）高温高压烧结：将步骤（6）置于金属杯中金刚石-硬质合金组合结构与盐管、石墨管、叶腊石管由内而外逐层间隙组装，得到高温高压用合成块，再置于六面体压机中高温高压合成，得到螺旋结构PCD刀具刀头。合成工艺为压力：5.5-7.5GPa，优选为7-7.5GPa，温度：1400-1700℃，优选为1450-1550℃。
作为优选，所用原料金刚石中，按质量比，粒径为A的金刚石：粒径为B的金刚石=60~80:40~20、进一步优选为70~80:30~20；所述A的取值为8~20微米，所述B的取值小于等于3微米、优选为0.5-2微米。
步骤（1）中，以有机高分子材料、粘结剂、金刚石微粉为原料，通过混合密炼、破碎、筛分制得金刚石喂料，优选8-20目的喂料用于打印。
步骤（2）中，硬质合金喂料制备：以有机高分子物质和硬质合金粉为原料，通过混合密炼、破碎、筛分制得硬质合金喂料，优选8-20目的喂料用于打印。
本发明步骤（5）、（6）中，将金刚石脱脂坯后与硬质合金预烧结坯组装，是由于金刚石喂料粉体中金刚石含量超90%，难以通过预烧结形成强度；而将金刚石打印生坯与硬质合金打印生坯组合脱脂预烧结，由于硬质合金生坯和金刚石生坯预烧结收缩率不同，极易导致金刚石刀刃因无强度而结构崩塌。
本发明要进行热脱脂净化和高温真空净化处理的目的是去除溶剂脱脂后金刚石刀刃中残留高分子骨架、金刚石粉体制备过程表面残留杂质，以及改变金刚石粉体表面状态，提高高温高压反应过程中粉体表面原子活性和扩散能力，加速金刚石骨架形成。若净化温度过高、时间过长，会导致金刚石石墨化，损害其品质和性能。若不进行净化处理或净化不彻底，残留的有机物或杂质会影响高温高压过程的聚晶金刚石骨架形成，降低PCD的质量和成品率，影响刀具使用寿命和加工质量等等系列问题。
本发明中高温高压烧结可以为：将步骤（6）置于金属杯中金刚石-硬质合金组合结构与盐管、石墨管、叶腊石管由内而外逐层间隙组装，得到高温高压用合成块，再置于六面体压机中高温高压合成，得到螺旋结构PCD刀具刀头。
本发明一种聚晶金刚石-硬质合金整体螺旋刀具增材制造工艺，通过步骤（1）~（7）得到螺旋结构PCD刀具刀头后，与刀柄连接后进行后续加工得到刀具成品。具体方案为：高温高压后得到螺旋结构PCD刀具刀头，经外圆、端面磨去除金属杯后，与刀柄组合焊接，得到PCD刀具毛坯；然后通过金刚石砂轮、电解砂轮去除多余的硬质合金基体，加工出PCD刀具排屑槽型；接着采用线切割或激光加工加工PCD刃口，获得高尺寸精度、表面光洁度的PCD刀具。当然得到螺旋结构PCD刀具刀头后，其他加工方法也适合于本发明。
本发明采用增材制造制备聚晶金刚石-硬质合金整体式螺旋结构刀具，由于未引入焊接工艺，所制备的刀具可保持PCD本征材料性能，大幅提升刀具寿命；PCD刀刃为整体式螺旋结构，具有更好的加工性能。其中，金刚石喂料的高粉末装载量，以及金刚石脱脂坯仍有一定强度和塑性，可在保证PCD刀刃高填充致密度前提下，大大降低HTHP过程中金刚石层的烧结收缩量。硬质合金基体存在层状打印纹路，将增加其与金刚石脱脂坯的界面接触面积；未完全致密化的硬质合金预烧结体与金刚石脱脂坯在高温高压烧过程中协同烧结致密化，有利于提高二者的界面结合强度。此外，由于PCD刀刃部分根据需求结构设计组装，实际PCD刃口加工量大大降低。
原理和优势
本发明采用硬质合金基体和金刚石刀刃分开打印，再组合高温高压的工艺路线；其不仅避开了刀头焊接导致的热损伤、耐热性差等系列问题，还得到了具有高界面结合强度的硬质合金-聚晶金刚石复合体。
本发明采用适当参数的增材制造，制备硬质合金基体，这不仅能提高螺旋结构刀具设计自由度，而且增材制造的特征层状结构提高基体与PCD刀刃接触面积，有利于提高二者界面结合强度。
本发明采用高金刚石含量的脱脂坯填充硬质合金合金基体，由于其含有包含骨架和少量填充剂、增塑剂、表面活性剂的混合高分子，表现为具有一定的强度和塑性，无需打印高尺寸结构精度的PCD刀刃，即可实现PCD料层均匀且致密的填充填充任意结构刀具。
本发明中，硬质合金基体与PCD刀刃一体成型烧结，刀刃结构定位更精确，且减少了难加工部分的PCD加工量，降低成本、提高效率；
本发明除成型阶段，各步骤设备工艺同传统制备工艺通用，适用性广、升级成本低。
附图说明
图1为本发明增材制造整体式PCD螺旋刀具原理图；
图2为PCD刀刃与硬质合金的界面特征图；
图3为PCD刀头与刀柄连接后的实物图；
图4为螺旋刀具产品实物图，其由（a）、（b）、（c）三幅小图组成，其中图(a)为 正反旋向螺旋角5°刀具的俯视图；图(b)为正反旋向螺旋角5°刀具的主视图；图(c)为单旋向螺旋桨30°刀具的主视图。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，增材制造的整体螺旋PCD刀具由带螺旋槽的硬质合金基体和填充螺旋槽的PCD刀刃两部分组成。所用硬质合金成分为10wt.%Co、1wt.%W、89wt.%WC，其中WC晶粒度为1.6μm；PCD刀刃粉料成分为75wt.% 10μm金刚石、20% 1μm金刚石，5wt% 1-2μm Co。其制备工艺流程为：
（1）将上述金刚石粉料与Co粉混合得到金刚石混合粉料；按质量比，PW：MW：EO：EVA：HDPE：DOP：SA=45:10:5:16:17:5:2，称取有机高分子；按体积比，有机高分子：金刚石混合粉料=45:55准备原料（对应粉末装载量为55 vol.%）。分别将PW、MW、EO、EVA、HDPE、DOP 按熔点高低依次加入密炼机中加热混合均匀，SA与粉体同步分3次加入，期间降温使粉体与有机高分子充分剪切捏合以保证混合均匀，然后将冷却密炼料破碎、筛分后得到目标喂料颗粒。所述密炼温度为150℃，降温温度-时长为125℃-30min， 总密炼时长为2h，喂料筛分粒度为8-20目。
（2）将上述WC粉、W粉、Co粉混合得到硬质合金混合粉料；按质量比，PW：MW：EO：EVA：HDPE：DOP：SA=45:10:5:16:17:5:2，称取有机高分子；按体积比，有机高分子：硬质合金混合粉料=40:60准备原料（对应粉末装载量为60 vol.%）。分别将PW、MW、EO、EVA、HDPE、DOP 按熔点高低依次加入密炼机中加热混合均匀，SA与粉体同步分3次加入，期间降温使粉体与有机高分子充分剪切捏合以保证混合均匀，然后将冷却密炼料破碎、筛分后得到目标喂料颗粒。所述密炼温度为145℃，降温温度-时长为125℃-30min， 总密炼时长为2h，喂料筛分粒度为8-20目。
（3）将螺旋结构硬质合金基体及对应的PCD刀刃模型导入打印机对应的切片软件中，分别设置打印参数并输出打印机可识别的G代码。其中，打印硬质合金基体打印参数设置为：层厚0.2mm，喷嘴尺寸0.8mm，打印温度135℃，平台温度85℃，打印速度40mm/s；PCD刀刃打印参数设置为：层厚0.1mm，喷嘴尺寸0.3mm，打印温度125℃，平台温度50℃，打印速度15mm/s。分别将所制备的金刚石喂料、硬质合金喂料置于挤出式3D打印机进料仓，按预设参数进行打印，制得硬质合金、金刚石打印坯。
（4）分别将硬质合金、金刚石打印坯置于正庚烷中进行脱脂溶剂处理，得到相应的溶剂脱脂棕坯。溶剂脱脂工艺为50 ℃，脱脂时间14 h。
（5）将硬质合金溶剂脱脂棕坯置于真空脱脂-烧结一体炉进行热脱脂和预烧结。热脱脂工艺为2 ℃/min升温至400℃保温1h，再1℃/min升温至600℃保温1h；预烧结工艺为5℃/min升温至1000℃保温1h。
（6）将金刚石溶剂脱脂棕坯与硬质合金预烧结坯过盈组装，并置于匹配高温高压合成块尺寸的铌杯中，对金刚石料层进行热脱脂和原料净化处理。热脱脂工艺为2 ℃/min升温至400℃保温1h，再1℃/min升温至600℃保温1h；原料净化工艺为5℃/min升温至900℃保温1h。
（7）将步骤（6）中置于金属杯的金刚石-硬质合金组合结构，依次按盐管、碳管、叶腊石、导电片、石墨片组装成高温高压合成块进行高温高压烧结，得到螺旋结构PCD刀具刀头。所述高温高压合成工艺为7GPa-1500℃，保温时间10min。
（8）将步骤（7）所得螺旋结构PCD刀具刀头，经外圆、端面磨去除金属杯后，与刀柄组合焊接，得到PCD刀具毛坯；然后通过金刚石砂轮、电解砂轮去除多余的硬质合金基体，加工出PCD刀具排屑槽型；接着采用线切割或激光加工加工PCD刃口，获得高尺寸精度、表面光洁度的PCD刀具。
所制备打印坯组织致密，结构尺寸精度高，溶剂脱脂无鼓泡、开裂缺陷。其中，硬质合金基体打印坯与模型相比，X/Y/Z尺寸偏差<3%，预烧结致密度为75%；PCD刀刃与模型相比，X/Y/Z尺寸偏差<10%。经高温高压合成后，螺旋结构PCD刀具基体径向收缩6.8%、轴向收缩5.6%，PCD刀刃径向收缩9.8%、轴向收缩8.6%，硬质合金基体与PCD刀刃结合紧密，且存在金刚石与硬质合金成分互扩散及迁移的嵌合区域。用于加工7075系航空铝合金材料，设置加工参数为：转速3800r/min，进给量0.105mm/z，吃刀量1mm，切深0.5mm，以加工表面质量>1.6μm判定使用寿命，所制备的PCD刀具寿命可达3517m，为焊接PCD刀具（1547m）的2.27倍。
实施例2：
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：将所用原料中，金刚石粒径改为仅用95%10μm金刚石，其他原料及处理方式不变。
所制备打印坯可实现相近的尺寸精度。但经高温高压合成后，PCD刀刃径向收缩增加至11.2%、轴向收缩增加至9.9%，硬质合金基体与PCD刀刃结合紧密。与实施例1相同的测试条件下，所制备的PCD刀具寿命可达2977m。但由于PCD刀刃尺寸收缩增加，与硬质合金收缩率差距增大，为获得可与刀柄焊接的螺旋PCD刀头，合成后刀头毛坯的外圆、端面加工量增大，成本和周期增加。
实施例3：其他条件和实施例1一致，不同之处在于：调整实施例1中硬质合金预烧结温度为1300℃，所用原料及其他处理方式与实施例1保持一致。
所制备打印坯可实现相近的尺寸精度。但硬质合金预烧结致密度提高至89%，经高温高压合成后，合金基体径向收缩降低至4.4%、轴向收缩降低至3.8%。同样增加PCD刀刃与硬质合金收缩率差距，合成后刀头毛坯的外圆、端面加工量增大，成本和周期增加。与实施例1相同的测试条件下，所制备的PCD刀具寿命可达3254m。
实施例4
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：步骤（5）中预烧结温度为900℃。
硬质合金预烧结致密度提高至68%，经高温高压合成后，合金基体径向收缩增加至8.8%、轴向收缩增加至7.9%。合金基体致密度过低，在高温高压过程中变形量大，致密化阶段花费时间较长，相同条件下，用于形成金刚石骨架和与基体紧密结合的时间变短。与实施例1相同的测试条件下，所制备的PCD刀具降低寿命为3382m。
实施例5
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：步骤（2）的有机高分子配方比例调整为PW：MW：EO：EVA：HDPE：DOP：SA=50:15:5:12:13:3:2。填充剂增多，混合高分子流动性增加，在保证喂料均匀性的前提下，可容纳更多的粉体，可实现有机高分子：硬质合金混合粉料=36:64（对应粉末装载量为64vol.%）。所述密炼温度降低至140℃。步骤（3）中打印温度降低至130℃、平台温度降低至80℃。
所制备打印坯可实现相近的尺寸精度。由于粉末装载量增大，1000℃预烧结致密度提升至78%。与实施例1相同的测试条件下，所制备的PCD刀具寿命可达3489m。
实施例6
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：步骤（1）的有机高分子配方比例调整为PW：MW：EO：EVA：HDPE：DOP：SA=40:10:5:20:17:5:3。有机高分子配方中填充剂降低、骨架含量增多，在保证喂料均匀性的前提下，粉末装载量降低为50vol.%。所述密炼温度提高至160℃。步骤（3）中打印温度增加至130℃、平台温度增加至70℃。
所制备打印坯可实现相近的尺寸精度。由于金刚石刀刃生坯粉末装载量降低，热脱脂后金刚石混合粉体填充致密度下降，高温高压后金刚石刀刃与硬质合金基体的尺寸收缩率增大，加工成本和周期增加。与实施例1相同的测试条件下，所制备的PCD刀具寿命可达3402m。
实施例7：将所用原料中，硬质合金配方调整为10wt.%Co、90wt.%WC，其他原料及处理方式不变，再采用与实施例1相同的工艺和处理步骤，可以制备整体式PCD螺旋铣刀。
但预烧结硬质合金基体中发现石墨相。经高温高压合成后，该石墨相转化为细小的微裂纹。硬质合金基体与PCD刀刃仍结合紧密，但界面存在较多3-7μm异常长大的WC晶粒。与实施例1相同的测试条件下，所制备的PCD刀具寿命可达3233m。由于PCD刀具工作层主要为PCD刀刃，因此调整合金配方对PCD刀具寿命影响不大。但合金内部微裂纹增加高温高压合成过程合金断裂风险，高温高压合成良率大幅下降，实际高温高压合成10把刀头，仅有两把2把完好。
对比例1：将合金预烧结调整为1400-1450℃致密化烧结，其他原料及处理方式不变，再采用与实施例1相同的工艺和处理步骤。
所得产品中，硬质合金基体与PCD刀刃界面存在类似PDC的10-20μm界面富Co区，但无明显颗粒扩散迁移现象。并且，由于硬质合金为致密体，高温高压条件下，基体中Co向PCD刀刃扩散迁移趋势增强，PCD刀刃部分Co含量增加。相同条件下，所制备的PCD刀具寿命降低至2599m。此外，由于硬质合金几乎不收缩，PCD与合金尺寸收缩差距显著增加，加工量大幅增加，加工成本和周期显著增加。
对比例2：将所用原料中，硬质合金配方调整为5wt.%W、10wt.%Co、85wt.%WC，其他原料及处理方式不变，再采用与实施例1相同的工艺和处理步骤。由于W含量过高，硬质合金内部形成η相贫碳组织，增加合金脆性，导致在高温高压过程的冷压阶段，合金易断裂，无法制备完整的整体式PCD螺旋刀具。
对比例3：其他条件和实施例1一致，不同之处在于：将所用原料中，金刚石主粒径调整为95% 40μm金刚石，其他条件与实施例1一致。由于主粒径变大，无法实现实施例1中0.1mm层厚、0.3mm走线宽度，PCD刀刃打印参数调整为：层厚0.2mm、走线宽度0.6mm，PCD刀刃打印坯X/Y/Z尺寸偏差>20%，结构精度降低，使得PCD刀刃脱脂坯与硬质合金预烧结坯组合尺寸匹配性降低，难以形成紧密结合，并且易出现局部缺料，导致高温高压合成后，PCD刀刃不完整。
对比例 4：其他条件和实施例1一致，不同之处在于：将实施例1中金刚石喂料粉末装载量调整为65%，粉体原料及其他条件不变。所制备的喂料粘稠，流动性差，混合均匀性差，存在局部粉料团聚缺陷。调整打印温度、层厚、喷嘴尺寸、平台温度等均无法实现喂料流畅挤出，打印温度过高将导致打印过程喷嘴溢料出料量不稳定，打印温度低则无法挤出。增大喷嘴尺寸可实现打印，但无法改变喂料不均匀的缺陷，且将进一步降低打印精度。
对比例5：其他条件和实施例1一致，不同之处在于：增加实施例1中喂料的有机高分子中骨架含量，调整高分子比例为PW：MW：EO：EVA：HDPE：DOP：SA= 23:5:5:30:30:5:2，其他原料及处理工艺与实施例1保持一致。喂料粘度增加，流动性降低，混合均匀性差。同样存在无法通过调整打印温度、层厚、喷嘴尺寸、平台温度等均实现喂料流畅挤出问题。
对比例6：其他条件和实施例1一致，不同之处在于：将溶剂脱脂工艺调整为70℃，其他原料及处理工艺与实施例1保持一致。增加温度，溶剂脱脂时间可缩短至6-8h，但溶剂脱脂速度过快，将导致坯体产生鼓泡甚至分层缺陷。硬质合金基体为例，在预烧结过程中鼓泡、分层缺陷无法消除，在高温高压合成过程出现断裂。PCD刀刃体积较小，由于硬质合金基体的支撑作用，脱脂坯的鼓泡、分层缺陷虽不会导致断裂缺陷，但会造成局部成分不均以及收缩量增大。
对比例7：其他条件和实施例1一致，不同之处在于：将硬质合金基体的热脱脂工艺升温速率调整至5℃/min，其他原料及处理工艺与实施例1保持一致。硬质合金中存在局部未分解的高分子，在高温下碳化残留在合金内部，形成局部缺陷，经高温高压合成，合金断裂，无法制备完整的PCD螺旋刀具刀头。

Claims (10)

1.一种聚晶金刚石-硬质合金整体螺旋刀具增材制造工艺，其特征在于：通过增材制造分别成型带槽型的硬质合金基体生坯、匹配槽型的金刚石PCD刀刃生坯，将硬质合金基体生坯脱脂预烧结后与脱脂后的金刚石刀刃坯采用过盈配合的方式组合后进行高温高压处理，得到螺旋结构PCD刀具刀头；所述高温高压处理的压力为5~10GPa，温度为1400~1700℃。
2.根据权利要求1所述的一种聚晶金刚石-硬质合金整体螺旋刀具增材制造工艺，其特征在于：PCD刀刃生坯通过填粉法或增材制造工艺制备，所述增材制造工艺选自PEP、FDM、FFF、BJP、SLA、DIW、SLS增材制造工艺中的一种；
带槽型的硬质合金基体生坯采用机加工开槽制备，或通过增材制造工艺制备，所述增材制造工艺选自PEP、FDM、FFF、SLA、BJP、SLS增材制造工艺中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种聚晶金刚石-硬质合金整体螺旋刀具增材制造工艺，其特征在于：所述高温高压处理的压力为6~8GPa，温度为1450~1550℃。
4.根据权利要求1所述的一种聚晶金刚石-硬质合金整体螺旋刀具增材制造工艺，其特征在于；包括下述步骤：
（1）金刚石喂料制备：以有机高分子材料、粘结剂、金刚石微粉为原料，通过混合密炼、破碎、筛分制得金刚石喂料；其中，金刚石和粘结剂质量比为90-99：1-10；金刚石+粘结剂的粉末装载量为45-60vol.%；粘结剂为Co、Ni、Co-Ni、Co-Ni-Fe、Mo、Al-Si中至少一种；金刚石粒径小于等于35μm；
所述有机高分子材料包括填充剂、骨架、增塑剂、表面活性剂，质量比分别为55-75：25-40：2-5：3-5；
（2）硬质合金喂料制备：以有机高分子物质和硬质合金粉为原料，通过混合密炼、破碎、筛分制得硬质合金喂料；其中，硬质合金粉的粉末装载量为50-70vol.%；硬质合金粉的Co含量为5-16wt.%；WC晶粒度范围小于等于10μm；
所述有机高分子物质包括填充剂、骨架、增塑剂、表面活性剂，质量比分别为45-80：20-45：2-5：1-5；
金刚石喂料和硬质合金喂料制备所用填充剂包括聚甲醛、聚乙二醇、固体石蜡、液体石蜡、微晶蜡中的一种或多种，所用骨架包括高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚乳酸中的一种或多种，所用增塑剂选自邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、磷酸三甲酚酯、柠檬酸三丁酯中的至少一种，所用表面活性剂选自硬脂酸、油酸中的至少一种；
（3）生坯增材制造：通过切片软件将目标三维结构硬质合金基体、PCD刀刃转化为打印设备可识别的多层二维结构图；并设置打印参数；分别采用步骤（1）、（2）所制得的金刚石喂料、硬质合金喂料，按设定参数打印，得到目标三维结构的硬质合金基体生坯、对应PCD刀刃的金刚石打印生坯；
基于步骤（1）、（2）金刚石喂料、硬质合金喂料配方，金刚石生坯打印参数选择为：层厚0.05-0.15mm，喷嘴尺寸0.2-0.4mm，打印温度120-140℃，平台温度50-70℃，打印速度10-25mm/s；硬质合金生坯打印参数选择为：层厚0.1-0.25mm，喷嘴尺寸0.2-0.8mm，打印温度120-150℃，平台温度50-90℃，打印速度20-50mm/s；
（4）溶剂脱脂：分别将硬质合金、金刚石打印生坯至于脱脂溶剂中进行脱脂，得到脱脂棕坯；溶剂脱脂工艺为30-60℃，脱脂时间12-36h；
（5）硬质合金预烧结：采用真空脱脂-烧结一体炉对硬质合金进行热脱脂及烧结；其中热脱脂阶段为室温至600-650 ℃，升温速率为0.5-2 ℃/min，时间为90-180 min，以去除有机高分子骨架；预烧结温度为900-1300℃，升温速率为3-8℃/min，时间为60-120min；
（6）金刚石与硬质合金组装：将金刚石脱脂坯与硬质合金预烧结坯过盈组装，然后置于高温高压用的钼/锆/铌金属杯中，对金刚石层进行热脱脂及原料净化处理，热脱脂工艺为室温至600-650℃，升温速率为0.5-2℃/min，以去除有机高分子骨架；原料净化工艺为900-1000℃真空热处理1-2h，升温速率为2-5 ℃/min，
（7）高温高压烧结：将步骤（6）置于金属杯中金刚石-硬质合金组合结构与盐管、石墨管、叶腊石管由内而外逐层间隙组装，得到高温高压用合成块，再置于六面体压机中高温高压合成，得到螺旋结构PCD刀具刀头。
5.根据权利要求4所述的一种聚晶金刚石-硬质合金整体螺旋刀具增材制造工艺，其特征在于：所用原料金刚石中，按质量比，粒径为A的金刚石：粒径为B的金刚石=60~80:40~20；所述A的取值为8~20微米，所述B的取值小于等于3微米。
6.根据权利要求4所述的一种聚晶金刚石-硬质合金整体螺旋刀具增材制造工艺，其特征在于：步骤（1）中，刚石喂料制备时，金刚石和粘结剂质量比为93-97:3-7；金刚石+粘结剂的粉末装载量为50-55vol.%。
7.根据权利要求4所述的一种聚晶金刚石-硬质合金整体螺旋刀具增材制造工艺，其特征在于：步骤（1）中，填充剂由固体石蜡和微晶蜡按质量比40-50：15-20混合组成；骨架由高密度聚乙烯和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物按质量比20-25：10-15混合组成；增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯；表面活性剂为硬脂酸。
8.根据权利要求4所述的一种聚晶金刚石-硬质合金整体螺旋刀具增材制造工艺，其特征在于：步骤（2）中，填充剂由固体石蜡和微晶蜡按质量比40-50：10-40混合组成；骨架由高密度聚乙烯和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物按质量比10-30：10-30混合组成；增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯；表面活性剂为硬脂酸。
9.根据权利要求4所述的一种聚晶金刚石-硬质合金整体螺旋刀具增材制造工艺，其特征在于：金刚石打印喂料的粒径为8-20目；硬质合金打印喂料的粒径为8-20目。
10.根据权利要求4所述的一种聚晶金刚石-硬质合金整体螺旋刀具增材制造工艺，其特征在于：步骤（7）中，合成工艺为压力：5.5-7.5GPa，温度：1400-1700℃。
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