粉末钎料在金刚石工具中的研究进展综述

本文由Fei Long、Peng He（哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室）及Dusan P. Sekulic（哈尔滨工业大学/美国肯塔基大学机械工程系）合作撰写，发表于2018年5月的期刊*Metals*（DOI:10.3390/met8050315）。文章系统综述了粉末钎料（Powder Brazing Filler Metals, PBFMs）在金刚石工具制造领域的研究现状、应用挑战及未来发展方向。

研究背景与意义

金刚石因其超高硬度和耐磨性，成为超硬材料加工的核心工具原料。然而，金刚石与金属基体的高界面能及高温易石墨化特性（>760℃）使其传统焊接困难。粉末钎料技术因其低能耗、高精度剂量控制、适用于复杂工件形状等优势，成为金刚石工具自动化制造的关键。本文聚焦两类主流PBFMs（CuSnTi基中温钎料和Ni-Cr基高温钎料）的界面结合机制、性能优化策略，并探讨了孕镶金刚石工具（impregnated diamond tools）中PBFMs的应用瓶颈。

主要观点与论据

1. 中温CuSnTi基PBFMs的界面反应机制

• 核心发现：Ti元素与金刚石表面碳反应生成TiC层是实现冶金结合的关键。研究表明，TiC层呈现双层结构：靠近金刚石的立方TiC晶粒（厚度约200 nm）和针状/柱状TiC延伸层（Khalid等，2004）。
  
• 实验证据：
  
  • Deng等（2011）通过真空钎镀Ti的金刚石发现，Ti涂层可抑制石墨化，使热冲击强度仅降低1.1%。
    
  • 相图分析（图1、2）显示，Sn含量>15%会降低合金塑性，故典型配方为Cu15Sn10Ti或Cu10Sn5Ti。
    
• 局限性：过量TiC导致界面脆性，需通过细化晶粒改善结合强度。
  

2. 高温Ni-Cr基PBFMs的性能优势与挑战

• 性能优势：Ni-Cr钎料（如84Ni8Cr3B5Si）在高温下形成Cr₃C₂和Cr₇C₃碳化物层，显著提升工具耐磨性（Wang等，2009）。Xiao等（2001）通过Cr扩散实验证实，Cr₃C₂渗透至金刚石晶格缺陷中，增强界面结合。
  
• 挑战：
  
  • Ni/Fe催化元素加速金刚石石墨化（Trenker等，2002）。
    
  • 热膨胀系数差异引发残余应力，导致金刚石裂纹（Das等，2010）。
    
• 解决方案：通过添加合金元素降低钎料熔点，抑制石墨化程度。
  

3. 孕镶金刚石工具中PBFMs的技术突破

• 预合金粉末（prealloy powders）：作为“粘结剂”，含Ti/Cr/V的预合金粉末通过热压烧结实现金刚石与基体的扩散连接，提升工具寿命（Luo等，2006）。
  
• 技术瓶颈：
  
  • 烧结温度与钎料熔点的匹配问题（Cao等，2016）。
    
  • 热应力数值模拟未充分考虑中间碳化物层的影响（Xu等，2017）。
    

4. 新兴应用与绿色制造潜力

• 高锡Ag-Cu-Zn-Sn钎料：因难以轧制成带材，粉末形态拓宽了其应用范围（Zhang等，2014）。
  
• 自动化优势：PBFMs可制成膏状（paste brazing filler metal），支持刷涂、喷射等工艺，减少钎剂消耗（Nadkarni等，2001）。
  

研究价值与展望

本文系统总结了PBFMs在金刚石工具中的界面科学问题与工程解决方案，提出以下方向：
1. 基础研究：需深入探究TiC/Ni-Cr碳化物层的纳米结构对界面强韧性的影响机制。
2. 技术优化：开发低熔点、低热应力钎料，平衡石墨化抑制与结合强度。
3. 跨学科应用：借鉴航空航天、电子工业的钎料设计经验（如Ag-Cu-TiH₂陶瓷钎焊），推动金刚石工具在采矿、精密加工领域的创新。

亮点：首次对比分析了中温与高温PBFMs的界面反应差异，并指出孕镶工具中热应力模拟的不足，为后续研究提供了明确路径。