碳化钨钴（WC-Co）因其能抵御剧烈磨损、压力和重复使用而受到重视。这种杰出的硬度使其非常适合工业工具，但也带来了主要的制造挑战。该材料难以成型，生产成本高，而且通常需要的原材料比最终成品中所包含的多。研究人员现在测试了一种使用增材制造（AM，通常称为3D打印）制造WC-Co粘结碳化物的不同方法。他们的这种方法可能减少浪费并降低生产成本，同时保留使该材料如此有用的强度和硬度。这项研究发表在《国际耐火金属与硬质材料期刊》上。 为什么碳化钨如此宝贵 WC-Co粘结碳化物广泛应用于要求极高硬度和耐磨性的平台，包括切削工具、钻头、机加工设备和建筑工具。此材料将提供硬度的碳化钨与作为金属结合剂的钴结合在一起，这种结合剂将碳化物颗粒粘合在一起。制造商目前主要通过粉末冶金生产这些材料。在此过程中，细小的WC和Co粉末在高压下压缩，然后在烧结机中加热。烧结可以在较高温度下将颗粒结合在一起，而不必完全熔化每个成分。这种方法能生产出极其耐用的部件，但也存在缺点。钨和钴是昂贵的原材料，传统生产可能会使用大量材料，同时提供相对有限的产量。这使得减少浪费尤为重要。研究人员探索了增材制造是否可以提供一种更高效的替代方案。与通过去除材料或填充模具来成型的传统方法不同，增材制造是通过仅在所需位置放置材料来构建物体的。 激光和加热丝构建碳化物 研究小组使用了热丝激光辐照（也称为激光热丝焊接），该过程将激光束与预热填充丝结合在一起。加热丝在到达工作表面之前，允许材料更快速、更高效地添加。这可以提高沉积速率（添加填充金属的量），同时减少激光所需的能量。从研究人员测试了两种制作安排。在第一种中，激光直接照射在粘结碳化物棒的顶部，棒的位置位于材料构建方向的前面。在第二种中，激光引导该过程，并照射在粘结碳化物棒底部和基材（铁）之间的区域。两种方法都没有完全熔化金属，而是将其软化到足以形成并沉积粘结碳化物的程度。这一区别很重要，因为完全熔化碳化钨可能会改变其内部结构，从而降低其价值。 "粘结碳化物是用于切削工具刃部及类似应用的极硬材料，但它们由钨和钴等非常昂贵的原材料制成，因此降低材料使用量非常可取。通过使用增材制造，粘结碳化物可以仅在需要的地方沉积，从而减少材料消耗，" 最后作者、广岛大学先进科学与工程研究生院助理教授丸本圭太表示。 实现无缺陷的工业级碳化物 实验表明，该方法可以保留与传统制造WC-Co粘结碳化物相关的硬度和机械完整性。研究人员生产出的基材硬度超过1400 HV（表示抗压入的单位），且没有造成缺陷或分解。HV测量指的是维氏硬度，这是评估材料抵抗硬尖端压入程度的测试。超过1400 HV的值使得得到的碳化物在工业上属于最坚固的材料之一，位于蓝宝石和钻石等超硬物质之下。研究结果表明，增材制造可以生产无重大缺陷的粘结碳化物模具，尽管结果因制作安排不同而有所不同。“棒引导方法导致制造结构的上部附近一些WC分解，形成了最终材料中的缺陷。激光引导方法避免了一些问题，但最初在保持所需硬度方面遇到困难。研究人员通过添加基于镍合金的中间层解决了这个问题。他们还仔细控制和监测温度，以使其保持在超过钴的熔点但低于晶粒生长的温度。晶粒生长发生在材料内部微观晶体增大时，这可能会影响材料的性能。