碳鎢合金(俗稱硬質合金)是現代工業的基石,廣泛應用于金屬切割、混凝土鉆探及巖石開采等高強度刀具領域。這種材料極高的硬度也成為了制造上的“緊箍咒”:一旦成型,其極強的抗變形能力使得后續加工變得異常緩慢且損耗巨大,導致生產成本居高不下。
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這種困境在磨損嚴重或重載負荷的加工場景中尤為突出。目前,業界主要采用粉末冶金法,即通過高壓和高溫將碳化鎢和鈷粉末壓制并燒結。
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這種傳統工藝的弊端在于效率低下,往往需要消耗遠超最終零件所需的昂貴原材料,且成品率難以進一步提升。近期,一項發表在《國際難熔金屬與硬質合金期刊》上的研究提出了一種新路徑:將增材制造(即3D打印)與熱絲激光照射技術相結合,力求在保持性能的前提下,實現硬質合金的按需精準沉積,從而大幅降低材料浪費與成本。
研究人員嘗試改變將硬質合金視為“減材加工”對象的傳統思維,探索能否利用增材制造技術進行選擇性構建。他們選用的核心工具是“熱絲激光照射技術”(又稱激光熱絲焊接),其原理是將激光束與預熱后的填充焊絲相結合。通過預熱焊絲,不僅能顯著提高金屬沉積速率,還能減少激光在沉積過程中所需提供的能量,從而提升整體工藝效率。
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研究團隊評估了兩種應用方案。第一種是“焊絲引導法”,即硬質合金棒位于前方移動,激光照射其頂部;第二種是“激光引導法”,激光先行照射硬質合金棒底部與鐵基基材之間的區域。在兩種設定中,研究人員都選擇將金屬軟化而非完全熔化。這一策略旨在形成硬質合金的同時,盡量規避極端熱環境對這類硬脆材料造成的結構損傷。
廣島大學先進科學與工程研究生院助理教授丸本啟太表示:“硬質合金極度堅硬,雖然是制造切削刀具的理想材料,但其原材料鎢和鈷價格昂貴。通過增材制造技術,我們可以僅在必要部位沉積材料,從而有效節約成本。”
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實驗結果證明,該方法能有效保持傳統工藝制造的WC-Co硬質合金的硬度與機械完整性。研究團隊成功制備出硬度超過1400 HV(維氏硬度)且無缺陷、無分解的基材。這種硬度水平在工業領域屬于頂尖行列,僅次于藍寶石和金剛石等超硬物質。
盡管研究證實了無缺陷成型的可能性,但在具體路徑上仍存在差異。例如,“焊絲引導法”會導致堆疊件上部的碳化鎢發生分解,從而產生產品缺陷;而早期的“激光引導法”在維持硬度方面也面臨挑戰。
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為解決這一問題,研究團隊引入了鎳基合金中間層,并嚴格監控工藝溫度(使其高于鈷的熔點但低于晶粒生長溫度)。最終,通過增材制造產出的硬質合金在不犧牲材料硬度的前提下,成功實現了結構優化。
這一階段性成果為后續研究提供了跳板。研究人員計劃進一步攻克材料開裂問題,并嘗試構建更復雜的幾何形狀。
丸本啟太指出:“通過軟化而非完全熔化來成型金屬材料的方法極具創新性。它不僅適用于本研究關注的硬質合金,還具有推廣至其他材料領域的潛力。”
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展望未來,如何將該技術應用于成品切削刀具的直接制造、探索更多適配材料以及進一步提升耐用性,將是該研究團隊的核心課題。
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