[0001] 本发明涉及增材制造金刚石复合材料的多激光强化领域，尤其涉及一种增材制造金刚石复合材料的多激光性能强化方法。

[0002] 传统激光3D打印技术采用单道激光熔融金属粉末逐层成型的方式，所制备样块强度较低，点阵结构灰度较高具有且低致密度，在超高硬度材料增材制造领域不能得到很好
的应用。传统激光3D打印成型技术采用单道激光重熔方式成型金刚石复合材料，其成型表
面缺陷较多且灰度较高、低致密化，抗压强度较低难以满足高强度应用领域需求。

[0003] 基于背景技术存在的问题，本发明提出一种增材制造金刚石复合材料的多激光性能强化方法，通过多道激光对符合材料同一区域进行重熔实现金刚石复合材料抗压强度等
性能的强化。

[0004] 本发明采用了如下方案：一种增材制造金刚石复合材料的多激光性能强化方法，包括如下步骤：(1)使用SLM125通过第一道激光对目标复合材料进行重熔，其中该第一道激
光的参数为功率140W，速度1600mm/s，重熔表面温度场为1000℃，扫描间距40μm，设置时间
间隔3s；(2)当重熔表面温度降至250℃，对同一区域进行第二道激光扫描重熔，此时该第二
道激光的参数光斑直径调控参数功率180W，速度1600mm/s,重熔表面温度场为1000℃，设置
时间间隔5s，表征一次退火；(3)当重熔表面温度降至250℃，对同一区域进行第三道激光扫
描重熔，使得温度场达到1000℃；(4)在三次激光重熔后完成一层的打印，随后打印机刮刀
铺粉，温度下降实现表征第二次退火，实现复合材料的性能强化。

[0005] 优选地，所述复合材料为CuSn20合金，该CuSn20合金采用气雾法制备，所述CuSn20合金通过CuSn20与金刚石以质量比1000：59配比，并采用共振混合机将金刚石与CuSn20复
合材料均匀混合合成，其中金刚石使用粒径大小为45μm的金刚石。

[0006] 优选地，第一道激光采用80μm光斑直径；通过激光焦距，将调控第二道光斑直径为100μm；第三道激光光斑直径改为120μm。

[0007] 优选地，还包括如下步骤：对强化过的复合材料进行抗压以及抗弯测试。

[0008] 优选地，所述复合材料是在惰性气体的环境下进行激光重熔。

[0009] 通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：本发明专利提出了一种增材制造金刚石复合材料的多激光性能强化方法，可以有效增强金刚石复合材料50％以上
的抗压、抗弯强度。同时在保证性能提高的前提下，大大加快了热处理的效率和缩短了热处
理时间。
附图说明

[0010] 为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作
是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根
据这些附图获得其他相关的附图。

[0011] 图1是本发明激光光斑及其对应焦距的示意图；

[0012] 图2是本发明激光光斑调节示意图；

[0013] 图3是本发明单道激光压缩应力应变图

[0014] 图4是本发明双道激光压缩应力应变图；

[0015] 图5是本发明三道激光压缩应力应变图；

[0016] 图6是本发明单双三道激光三点抗弯强度表。

[0017] 为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实
施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领
域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明
保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要
求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，
本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本
发明保护的范围。

[0018] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特
定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0019] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，
除非另有明确具体的限定。

[0020] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连
接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情
况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0021] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它
们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特
征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在
第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示
第一特征水平高度小于第二特征。

[0022] 实施例

[0023] 本发明提出一种增材制造金刚石复合材料的多激光性能强化方法，以解决激光3D打印金刚石复合材料不足以达到超高硬增材制造领域的强度。

[0024] 为实现金刚石复合材料的性能强化，本发明方法使用s lm125打印不同激光参数下不同次数的圆柱体和长方体，进行测试抗压性能与三点抗弯性能来验证此发明方法的可
行性。同时观察打印出的块体表面形貌，可以清晰的发现单道激光重熔成型块体表面灰度
较高、低致密度，打印成型效果不佳；双道激光表面灰度、致密性适中；三道激光重熔块体表
面更具金属光泽且致密度极高。

[0025] 使用SLM125通过多道激光重熔改善复合材料微观结构，多道激光设置不同参数对同一区域进行激光重熔，调节光斑直径增强复合材料成型性，使其高度致密化，提高材料强
度性能，调控参数与温度场抑制金刚石石墨化(金刚石在惰性气体保护下，温度场达到1000
℃可转变为石墨)。

[0026] 其中的复合材料CuSn20合金采用气雾法制备，金刚石使用粒径大小为45μm的金刚石。CuSn20与金刚石以质量比1000：59配比，并采用共振混合机将其均匀混合。

[0027] 多道激光强化性能方法，其中的参数调控第一道激光采用功率140W，速度1600mm/s，控制表面温度场为1000℃，扫描间距40μm，设置时间间隔3s，重熔表面温度降至250℃；此
时通过第二道激光扫描重熔，并在同区域改变光斑直径，调控参数功率180W，速度1600mm/
s,控制温度场上升至1000℃，设置时间间隔5s后，重熔表面温度降至250℃；第三道激光扫
描重熔，温度场达到1000℃。

[0028] 其中的三次激光重熔表征俩次退火过程，即在第一道激光重熔后，设置3s间隔时间温度下降，再通过第二道激光重熔，温度上升，然后设置5s间隔，温度再次降低，表征一次
退火；随后使用第三道激光重熔，温度上升，三次激光重熔后完成一层的打印，随后打印机
刮刀铺粉，温度下降，表征第二次退火。两次退火均在打印过程中完成，提高热处理效率，节
省时间。

[0029] 使用三道激光重熔，特征在于三道激光重熔，重熔表面温度达到1000℃，即金刚石达到可能转化为石墨的临界值，因此在三次激光重熔过程中设置俩次间隔时间使温度降低
至较低值，由于温度涨跌迅速，避免了金刚石石墨化。

[0030] 在该多激光强化性能方法中，如图3所示，第一道激光采用80μm光斑直径；通过改变fod焦距，将焦距位置向下移3mm,则光斑直径变大，调控其作为第二道光斑直径为100μm；
焦距下移5mm，第三道激光光斑直径可扩大为120μm。这使得打印金刚石复合材料时相交部
分得到重叠，强化打印强度。最后对打印成型不同单双三道激光的圆柱体和长方体分别进
行抗压、抗弯测试，如图4‑5所示，应力应变强度提升50％以上。

[0031] 对单道激光打印圆柱体进行抗压试验，将试件置于压缩试验机的中心位置，试验2
机以1mm/min的速度对试件施加载荷，试件受压面积为50.256mm ，高度为8mm，将单道激光
重熔块体的3个试件压缩所测数据作图如图3所示，平均应力约为180MPa；对双道和三道激
光重熔所得块体平均应力分别为250MPa、300MPa。

[0032] 本发明实施例的具体操作步骤为：首先设计模型：首先，使用计算机辅助设计(CAD)软件创建3D模型，确定所需零件的几何形状和尺寸。建立9个尺寸为8mm*8mm*8mm的圆
柱体试样，与9个4.5mm*6mm*36mm的长方体试样。切片处理：将建立好的3D模型通过magics
切割成一系列薄层，每一层的厚度为40μm。材料准备：将混合的金刚石与CuSn20复合材料使
用烘粉机烘干，避免打印过程卡粉，将烘干的复合材料粉末装入供粉瓶中,装入粉末供给系
统中，打开s lm125，将125mm*125mm*20mm的金属基板完成喷砂，放入打印舱内，并在金属基
板工作台上铺设一层金属粉末，关闭舱门。打印准备：打开氩气调控工作舱内氧气降至
0.05％，加热基板至200℃，同时打开水冷与空压机。开始打印，打开控制面板，圆柱体设置3
个为单道激光、3个双道激光、3个三道激光，长方体打印块按照同样的设置方法。参数设置：
其中的参数调控第一道激光采用功率140W，速度1600mm/s，控制表面温度场为1000℃，扫描
间距40μm，设置时间间隔3s，重熔表面温度降至250℃；此时通过第二道激光扫描重熔，并在
同区域改变光斑直径，调控参数功率180W，速度1600mm/s,控制温度场上升至1000℃，设置
时间间隔5s后，重熔表面温度降至250℃；第三道激光扫描重熔，温度场达到1000℃。其中的
三次激光重熔表征俩次退火过程，即在第一道激光重熔后，设置3s间隔时间温度下降，再通
过第二道激光重熔，温度上升，然后设置5s间隔，温度再次降低，表征一次退火；随后使用第
三道激光重熔，温度上升，三次激光重熔后完成一层的打印，随后打印机刮刀铺粉，温度下
降，表征第二次退火。俩次退火均在打印过程中完成，提高热处理效率，节省时间。使用三道
激光重熔，特征在于三道激光重熔，重熔表面温度达到1000℃，即金刚石达到可能转化为石
墨的临界值，因此在三次激光重熔过程中设置俩次间隔时间使温度降低至较低值，由于温
度涨跌迅速，避免了金刚石石墨化。多激光强化性能方法中，如图2所示，第一道激光采用80
μm光斑直径；通过改变fod焦距，将焦距位置向下移3mm,则光斑直径变大，调控其作为第二
道光斑直径为100μm；焦距下移5mm，第三道激光光斑直径可扩大为120μm。这使得打印金刚
石复合材料时相交部分得到重叠，强化打印强度。层层堆积：工作台逐渐下降，新的金属粉
末层被铺设在前一层固化的金属上。激光束再次扫描并熔融新的金属粉末，与前一层相融
合。这个过程不断重复，直到整个零件构建完成。打印结束后，清理设备，后将基板上的打印
块体进行线切割，将得到的圆柱体与长方体分别进行抗压性能测试与三点抗弯性能测试。
后处理：完成构建后，需要进行后处理步骤，如去除未固化的金属粉末、热处理、表面处理
等，以获得最终的金属零件。最后对打印成型不同单双三道激光的圆柱体和长方体分别进
行抗压、抗弯测试，如图3‑6所示，应力应变强度提升50％以上。

[0033] 如图6所示，分别对单道激光、双道激光、三道激光重熔所得长方体进行三点抗弯实验，所得数据如图中所示，单道激光三点抗弯平均强度6.5×105MPa，双道激光三点抗弯
平均强度8.7×105MPa，三道激光三点抗弯平均强度1.15×106MPa。

[0034] 以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。