碳化钨钴合金（WC-Co）是世界上最硬、最有价值的工程材料之一。从钻头到切削刀具，这种硬质合金支撑着整个制造业的运转。然而，加工成型碳化钨一直是一道昂贵且浪费巨大的难题。如今，日本广岛大学的研究团队找到了一种3D打印高质量碳化钨零件的方法，有望从根本上改变耐磨工具的制造方式。

碳化钨为什么重要

WC-Co硬质合金在现代制造业中无处不在。其超强硬度源于微小的碳化钨晶粒与钴的结合。传统工艺需要在极高压力下将粉末压制成型，然后在大型烧结炉中加热。虽然效果可靠，但这种方法消耗大量昂贵原材料，且难以制造复杂几何形状的零件。

钨和钴都是关键矿产，全球供应有限。中国控制着全球约80%的钨产量，这使得供应链安全成为全球制造商日益关注的问题。任何能够减少材料浪费的技术，都直接有助于降低成本并缓解地缘政治风险。

重大突破：激光+热丝3D打印

广岛大学助理教授Keita Marumoto带领的团队采用了完全不同的思路。他们没有使用金属粉末——粉末往往会产生气孔和杂质——而是将烧结成型的WC-Co固体棒材送入基于激光的增材制造系统。这些棒材已经具有正确的内部结构，从根本上消除了粉末方法带来的许多缺陷。

该工艺结合了高功率激光和热丝系统。电流在碳化钨棒材到达激光区域之前对其进行预热，减少所需激光能量，同时限制材料受到的热损伤。这种”软化而非完全熔化”的技术被证明是关键创新。

早期实验遇到了挑战。一种激光策略导致棒材上部产生气孔和裂纹，碳化钨分解成石墨等较弱的形态。第二种策略减少了化学分解，但钢铁底材的铁污染渗透进来，软化了材料。

镍基合金缓冲层的解决方案

突破性的解决方案是研究人员在钢铁底材和碳化钨沉积层之间加入了一层薄薄的镍基合金。这个缓冲层发挥了两个关键作用：限制热量向钢铁传递，并阻止铁原子向上迁移到碳化钨层中。

经过优化后，工艺显著趋于稳定。碳化钨棒材实现了软化而未发生分解。显微镜分析证实碳化钨晶粒保持细小，结构与原始棒材接近。最重要的是，表面附近硬度达到了约1400 HV（维氏硬度），使其跻身最硬的工业材料之列，仅次于蓝宝石和金刚石。

“硬质合金是用于切削刀具刃口等应用的超硬材料，但它由钨和钴等非常昂贵的原材料制成，因此减少材料用量极具价值。通过使用增材制造，硬质合金可以仅沉积在需要的位置，从而减少材料消耗。”——Marumoto

对行业的意义

这项研究成果对多个领域具有重大意义：

• 刀具制造——不再需要从大块碳化物中切削加工刀具，而可以在切削刃处直接打印碳化物，节省材料并降低成本。
• 耐磨零部件——采矿、建筑和石油天然气行业依赖的碳化物尖端零件，可以受益于按需生产、减少浪费的制造方式。
• 多材料零件——能够在韧性基材上沉积碳化物的能力，为同时具备硬度和结构柔性的零件开辟了新可能。
• 供应链韧性——降低每个零件的钨和钴消耗量，减轻了对有限矿产资源的依赖。

这项研究的影响还远不止碳化钨。正如Marumoto所说：”通过软化而非完全熔化来形成金属材料的方法是新颖的，它不仅可以应用于本研究关注的硬质合金，还有潜力应用于其他材料。”

尚待解决的挑战

研究团队也承认，某些打印起始阶段的开裂问题仍然存在，这可能与热应力有关。他们认为改善初始层的热量控制可以解决这一问题。未来的工作将探索更复杂的几何形状和更多的材料组合。

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结语

广岛大学的这项成果标志着碳化钨增材制造迈向商业化的重要一步。通过解决了长期存在的分解、污染和结构完整性问题，这项研究为更可持续、更具成本效益地生产世界上最硬的工业材料打开了大门。随着技术的不断成熟，我们有望在未来几年内看到3D打印碳化钨工具和零件进入主流制造领域。

来源：The Brighter Side、ScienceDaily、TechSpot