本发明涉及制造技术领域，尤其涉及一种金属基金刚石复合材料及其零部件的3D打印制造方法。
背景技术：
金属基复合材料已有几十年的发展历史，由于其兼有金属的塑性和韧性以及增强体陶瓷的高强度和高刚度，且比重小，因此，被广泛应用于探矿、机械、航天航空等领域。金刚石由于其具有高热导率、高杨氏模量以及低的线膨胀系数，突出的比模量，将其作为增强体加入金属基材中，能显著提高基材的硬度、耐磨性、热导率、降低基材的热膨胀系数，在金属结构及功能材料方面有着广泛的应用前景。
目前，制备金刚石/金属基复合材料的主要方法可分为固态成形法和液态成形法两大类。常用制备技术主要包括粉末冶金法、放电等离子烧结法(SPS)、液相浸渗法。但采用常规方法研制出的金属基金刚石复合材料属于“假合金”材料，其对金刚石的包镶以机械包镶为主，包镶的牢固度低，影响复合材料的质量。其次，常规方法为了获得高硬度、高耐磨性的金属基金刚石复合材料，必须采用较高含量的碳化钨等人造硬质材料，热压温度较高(980～1020℃)、压力较大(18～25MPa)，功率消耗大，对设备要求高。再之，采用常规方法制造金属基金刚石复合材料，其结构比较单一，难以制作结构复杂的产品，且工作效率低；有些设计合理而科学的结构形式，却往往由于装料困难、效率低或质量不过关而不为生产单位接受，难以推广应用。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种硬度高，耐磨性强，避免使用碳化钨等硬质材料的金属基金刚石复合材料及其零部件的3D打印制造方法。
本发明的实施例提供一种金属基金刚石复合材料，由以下体积比的原料制成：金刚石为2％～30％，其余为金属粉末；
所述金属粉末为球形或近球形，所述金属粉末的粒径为15μm～65μm，所述金刚石的品级在SMD30型以上，所述金刚石的粒度为35目～180目。
进一步，所述金属粉末为铁-镍-钴预合金粉末、钎焊预合金粉末和铜-锡预合金粉末中的一种或多种。
一种金属基金刚石复合材料及其零部件的3D打印制造方法，包括以下步骤：
(1)将金属粉末与金刚石按上述体积比经球磨机混合均匀；
(2)在计算机上建立零部件的三维模型，并将零部件的三维模型导入到3D打印控制软件中；
(3)步骤(1)得到的均匀混合料在由控制软件控制的激光选区熔化设备中的基板上成形；
(4)将步骤(3)得到的成形零部件连同基板一并取出，并对成形零部件和基板进行去应力退火处理；
(5)将经过步骤(4)处理的成形零部件和基板进行切割分离，即得到金属基金刚石复合材料零部件。
进一步，所述步骤(1)中，金属粉末与金刚石在保护气氛中通过球磨机进行机械混料。
进一步，所述步骤(2)中，建立的零部件三维模型转化为STL格式后导入到3D打印控制软件中。
进一步，所述步骤(3)中，混合料先送入激光选区熔化设备的送料装置中，并对成型腔抽真空，通入保护气体，然后将混合料输送至成型腔的基板上，在基板上成形零部件。
进一步，激光选区熔化设备的成形参数为：激光功率150W～250W，扫描速度200mm/s～1000mm/s，扫描间距0.06mm～0.08mm，铺粉厚度0.2mm～0.5mm。
进一步，所述保护气体为氮气或氩气。
进一步，所述步骤(4)中，对成形的金属基金刚石复合材料零部件进行去应力退火处理，以调控其性能，去应力退火处理参数为：退火温度为200℃～400℃，退火时间为2h～6h。
进一步，所述步骤(4)中，成形零部件和基板通过线切割进行切割分离。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)本发明的金属基金刚石复合材料硬度大，耐磨性强；
(2)本发明的金属基金刚石复合材料有利于二次开发终端产品，例如：金刚石钻头、金刚石扩孔器与金刚石稳定器，广泛用于地质勘探、石油钻井和地质灾害防治等领域；
(3)本发明基于3D打印技术，成形金属基金刚石复合材料及其零部件的制造方法；成形金属基金刚石复合材料及其零部件的方法是采用3D打印技术与方法，而非其它常规方法；
(4)本发明采用激光选区熔化成形，快热、快冷，成形精度高，冷却速度快，有效避免使用碳化钨等人造硬质材料，且通过高能激光束的作用使金属粉完全熔化，实现合金化，有利于胎体金属与金刚石的冶金结合，从而实现胎体金属对金刚石的有效包镶，得到的金属基金刚石复合材料为真合金复合材料，成形的零部件组织致密，力学性能稳定而优良；
(5)本发明利用激光选区熔化逐层制造的工艺特点，可省去传统加工方法的一些繁杂环节，可以加工出形状和结构复杂的产品，缩短制造的周期，降低生产的成本。
附图说明
图1是本发明一种金属基金刚石复合材料及其零部件的3D打印制造方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
实施例1
本发明的实施例提供了一种金属基金刚石复合材料，由以下体积比的原料制成：金刚石2％，其余为金属粉末；
金属粉末为球形或近球形，金属粉末的粒径为15μm～65μm，所述金刚石的品级在SMD30型以上，所述金刚石的粒度为80目～100目。金属粉末为FMA-201铁-镍-钴预合金粉末和铜-锡预合金粉的混合料。
请参考图1，一种金属基金刚石复合材料及其零部件的3D打印制造方法，包括以下步骤：
(1)将金属粉末与金刚石按上述体积比在氩气中通过球磨机混合均匀，有利于提高金刚石在后续成形过程中在金属粉末中的弥散分布程度；
(2)在计算机上建立零部件的三维模型，并将零部件的三维模型转化为STL格式导入到控制软件中；
(3)步骤(1)得到的混合料在由控制软件控制的激光选区熔化设备中的基板上成形；混合料先送入激光选区熔化设备的送料装置中，并对成型腔抽真空，通入氩气，然后将混合料输送至成型腔的基板上，在基板上成形零部件，激光选区熔化设备的成形参数为：激光功率150W，扫描速度1000mm/s，扫描间距0.08mm，铺粉厚度0.2mm；铺粉厚度与金刚石的粒度相对应，铺粉厚度太薄，金刚石易被刮板刮走，铺粉厚度太厚，易造成金属粉末熔不透，性能变差，且由于熔化区域的金属粉末凝固后，体积变小，使得实际高度降低，因此，选定略小于金刚石粒径的铺粉厚度；
(4)将步骤(3)得到的成形零部件连同基板一并取出，并对成形零部件和基板进行去应力退火处理；去应力退火处理的退火温度为250℃，退火时间为4h；有效促使微裂纹愈合，消除结构缺陷；
(5)将经过步骤(4)处理的成形零部件和基板通过线切割进行切割分离，即得到金属基金刚石复合材料零部件。
实施例2
本发明的实施例提供了一种金属基金刚石复合材料，由以下体积比的原料制成：金刚石16％，其余为金属粉末；
金属粉末为球形或近球形，金属粉末的粒径为20μm～65μm，所述金刚石的品级在SMD30型以上，所述金刚石的粒度为70目～80目。金属粉末为FMA-201铁-镍-钴预合金粉末和铜-锡预合金粉末的混合粉料。
请参考图1，一种金属基金刚石复合材料及其零部件的3D打印制造方法，包括以下步骤：
(1)将金属粉末与金刚石按上述体积比，在氩气中通过球磨机混合均匀，有利于提高金刚石在后续成形过程中在金属粉末中的弥散分布程度；
(2)在计算机上建立零部件的三维模型，并将零部件的三维模型转化为STL格式导入到控制软件中；
(3)步骤(1)得到的混合料在由控制软件控制的激光选区熔化设备中的基板上成形；混合料先送入激光选区熔化设备的送料装置中，并对成型腔抽真空，通入氩气，然后将混合料输送至成型腔的基板上，在基板上成形零部件，激光选区熔化设备的成形参数为：激光功率160W，扫描速度600mm/s，扫描间距0.07mm，铺粉厚度0.25mm；铺粉厚度与金刚石的粒度相对应，铺粉厚度太薄，金刚石易被刮板刮走，铺粉厚度太厚，易造成金属粉末熔不透，性能变差，且由于熔化区域的金属粉末凝固后，体积变小，使得实际高度降低，因此，选定略小于金刚石粒径的铺粉厚度；
(4)将步骤(3)得到的成形零部件连同基板一并取出，并对成形零部件和基板进行去应力退火处理；去应力退火处理的退火温度为300℃，退火时间为4h；有效促使微裂纹愈合，消除结构缺陷；
(5)将经过步骤(4)处理的成形零部件和基板通过线切割进行切割分离，即得到金属基金刚石复合材料零部件。
实施例3
本发明的实施例提供了一种金属基金刚石复合材料，由以下体积比的原料制成：金刚石30％，其余为金属粉末；
金属粉末为球形或近球形，金属粉末的粒径为20μm～65μm，所述金刚石的品级在SMD30型以上，所述金刚石的粒度为40目～50目。金属粉末为FMA-201铁-钴-镍预合金粉末和铜-锡预合金粉末的混合粉料。
请参考图1，一种金属基金刚石复合材料及其零部件的3D打印制造方法，包括以下步骤：
(1)将金属粉末与金刚石按上述体积比、在氩气中通过球磨机混合均匀，有利于提高金刚石在后续成形过程中在金属粉末中的弥散分布程度；
(2)在计算机上建立零部件的三维模型，并将零部件的三维模型转化为STL格式导入到控制软件中；
(3)步骤(1)得到的混合料在由控制软件控制的激光选区熔化设备中的基板上成形；混合料先送入激光选区熔化设备的送料装置中，并对成型腔抽真空，通入氩气，然后将混合料输送至成型腔的基板上，在基板上成形零部件，激光选区熔化设备的成形参数为：激光功率250W，扫描速度200mm/s，扫描间距0.06mm，铺粉厚度0.50mm；铺粉厚度与金刚石的粒度相对应，铺粉厚度太薄，金刚石易被刮板刮走，铺粉厚度太厚，易造成金属粉末熔不透，性能变差，且由于熔化区域的金属粉末凝固后，体积变小，使得实际高度降低，因此，选定略小于金刚石粒径的铺粉厚度；
(4)将步骤(3)得到的成形零部件连同基板一并取出，并对成形零部件和基板进行去应力退火处理；去应力退火处理的退火温度为400℃，退火时间为2h；有效促使微裂纹愈合，消除结构缺陷；
(5)将经过步骤(4)处理的成形零部件和基板通过线切割进行切割分离，即得到金属基金刚石复合材料零部件。
本发明采用激光选区熔化的方法，成形过程中，金属粉末熔化形成熔池，金刚石在熔池中沉积，被金属液包裹，待冷却凝固后，金刚石即被包镶在金属粉末中，成形过程结束即可得到理想的硬度和耐磨性的金属基金刚石复合材料零部件。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。