钻头在钻透混凝土时发出逆耳的摩擦声，火花四溅。刀片在切削淬硬钢材时保捏利害，绝不卷刃。这些日常工业场景的幕后好汉是碳化钨钴合金，一种硬度仅次于蓝对峙和钻石的超硬材料。但有个问题永久困扰着制造业，这种材料太硬了，硬到一朝成型就竟然无法再加工，导致坐褥过程极其浪费且腾贵。

广岛大学的究诘团队刚刚在《海外难熔金属与硬质材料杂志》上发表的究诘，可能绝对改变这个步地。他们建立出一种将激光3D打印与热丝时期计划的新顺序，生效制造出硬度进步1400维氏硬度的无舛错碳化钨钴部件。这不仅意味着材料浪费不错大幅减少，更遑急的是，它为定制化复杂几何面容的超硬刀具掀开了大门，而这在传统制造中竟然不成能达成。

传统制造的逆境

碳化钨钴合金世俗由约90%的碳化钨颗粒和10%的钴粘结剂构成。碳化钨提供了极高的硬度，在莫氏硬度表上达到9级，接近蓝对峙的9.5级。钴当作金属粘结剂，将这些硬质颗粒巩固地计划在一谈，同期赋予材料一定的韧性，幸免像纯陶瓷那样脆弱易碎。这种独到的组合使其成为切削刀具、矿山钻头、模具和耐磨部件的梦想材料。

但制造这种材料一直是个难题。传统的粉末冶金工艺需要先将碳化钨和钴粉末搀杂均匀，压制成所需面容的坯体，然后在约1400摄氏度的高虚心高压环境下烧结数小时。在这个过程中，钴溶化并浸透到碳化钨颗粒之间的闲隙，冷却后形成精细的复合材料。

激光教唆法透露图。图片来源：丸本圭太/广岛大学

问题在于效果和活泼性。开头，这个工艺只可坐褥接近最终面容的零件，何况由于烧结过程中会发生减弱，世俗需要留出15%到20%的余量。其次，一朝烧结完成，材料的硬度使得后续机械加工变得极其坚苦和腾贵。金刚石刀具是少数大概切削硬质合金的器用之一，但加工速率慢，刀具磨损快，老本奋斗。扫尾是巨额腾贵的原材料在加工过程中变成了废屑，材料诳骗率时常唯有30%到50%。

频年来，增材制造时期为处治这个问题带来了但愿。若是大概像3D打印塑料或平常金属那样逐层堆积碳化钨钴合金，就不错只在需要的方位放弃材料，大幅减少浪费。但碳化钨钴合金的特质使其成为增材制造领域最难攻克的材料之一。

激光与热丝的深沉计划

这是采纳激光教唆法制备的硬质合金模具在成型最终阶段的扫描电子显微镜图像，模具中间层镶嵌了镍基合金。图片来源：丸本圭太/广岛大学

广岛大学先进科学与工程究诘生院的助理说明丸本圭太指导团队建立的顺序被称为热丝激光辐射增材制造。这个时期的中枢想想是用激光软化而不是实足溶化碳化钨钴材料，同期通过预热的金属丝提供罕见的热量和材料。

为什么不径直溶化？因为碳化钨的熔点高达2870摄氏度，而钴的熔点唯有1495摄氏度。若是用激光径直溶化通盘这个词材料，会形成严重的温度梯度和因素不均。更倒霉的是，在极高温度下，碳化钨会领悟成钨和碳，或者形成其他不需要的相，比如脆性的η相，这会严重损伤材料的机械性能。传统的激光粉末床熔融时期在处理碳化钨钴时往往遭受这些问题，导致制品中出现裂纹、气孔和硬度不达标。

丸本团队的计谋是将温度按捺在一个精准的窗口内，高于钴的熔点以确保粘结，但低于碳化钨运转领悟的温度。他们测试了两种成就。第一种是棒材教唆法，将预烧结的碳化钨钴棒材放在千里积位置的前端，激光从顶部映照棒材，使其名义软化，然后将软化的材料滚动到基材上。第二种是激光教唆法，激光径直映照在棒材底部与基材构兵的界面区域，精准按捺热输入。

两种顺序皆靠近挑战。棒材教唆法固然千里积速率快，但容易导致构建体上部温渡过高，碳化钨领悟，米兰体育官网形成舛错。激光教唆法的温度按捺更好，但单独使用时难以保管饱和的硬度。

镍合金中间层的枢纽作用

攻击来自一个看似绵薄但枢纽的创新，在碳化钨钴层与铁基材之间插入一层镍基合金。这个中间层起到了多重作用。开头，它改善了热照应。镍基合金的导热性介于碳化钨钴和铁之间，有助于在千里积过程中更均匀地散布热量，幸免局部过热。其次，它减少了热彭胀统统不匹配带来的应力。碳化钨钴的热彭胀统统约为每摄氏度5到6微应变，而铁约为12微应变，这种互异在冷却过程中会产生弘大的残余应力，导致开裂。镍基合金充任了缓冲层，缓解了这种应力鸠合。

通过精准按捺激光功率、扫描速率和预热温度，究诘团队生效制造出硬度进步1400维氏硬度的碳化钨钴层，与传统粉末冶金产物特地。扫描电子显微镜分析暴露，微不雅结构中莫得显然的裂纹、气孔或碳化钨领悟的迹象。碳化钨颗粒保捏了原有的形态，均匀散布在钴基体中。

这是一个遑急的里程碑。1400维氏硬度是什么办法？当作对比，平常器用钢的硬度约为600到800维氏硬度，淬硬钢约为900维氏硬度，而碳化钨钴合金的1400以上维氏硬度使其大概切削竟然通盘其他金属材料。这种硬度级别的材料在工业中极为枢纽，每年各人奢靡数万吨用于制造各式刀具和耐磨部件。

从施行室到工业应用的挑战

尽管赢得了攻击，但距离大限制工业应用还有很长的路要走。面前究诘主要鸠合在制造相对绵薄的几何面容，如平面堆焊层和绵薄的模具。要制造复杂的三维结构，如带有里面冷却通谈的刀具或定制化的矿用钻头，需要处治更多时期难题。

一个枢纽挑战是裂纹按捺。固然究诘团队生效制造了无舛错的样品，但这需要相等精准的工艺参数按捺。任何温度散布的不均匀或冷却速率的波动皆可能导致裂纹。当几何面容变得复杂时，热照应的难度会成倍加多。改日的究诘需要建立更先进的过程监控和自稳健按捺系统，及时退换激光功率和扫描旅途。

另一个挑战是坐褥效果。面前的热丝激光辐射顺序的千里积速率固然比激光粉末床熔融快，但与传统粉末冶金的批量坐褥比较仍然较慢。关于巨额量表率化产物，传统顺序可能仍然更经济。但关于小批量、高定制化的应用，增材制造的上风就相等显然了。

丸本对改日捏乐不雅气派。他指出："通过软化金属材料而不是实足溶化来成型的顺序是新颖的，不仅有可能应用于硬质合金，还有可能应用于其他难加工材料。"确乎，这种想路可能适用于其他高熔点或易领悟的材料体系，如陶瓷基复合材料、高温合金或金属间化合物。

重塑刀具制造的改日

这项时期的潜在影响不单是是减少材料浪费。它可能从根柢上改变刀具缱绻的形式。传统制造的限度迫使工程师缱绻绵薄的几何面容，但增材制造不错达成昔时不成能的复杂里面结构。

举例，不错制造带有梯度因素的刀具，刃口部分使用高硬度的碳化钨钴合金，而刀体使用韧性更好但老本更低的材料。这种功能梯度材料不错优化性能和老本。还不错缱绻带有里面冷却通谈的刀具，在高速切削时通过里面流动的冷却液径直冷却切削区域，显耀栽种刀具寿命和加工效果。

矿业和建筑行业也可能受益。定制化的钻头不错字据特定的地质条目优化缱绻，栽种钻进效果和使用寿命。模具制造商不错在磨损最严重的区域局部应用硬质合金涂层，而不是通盘这个词模具皆使用腾贵的材料。

从更宏不雅的角度看，这项究诘是增材制造时期不休扩展材料邦畿的又一个例子。从当先的塑料原型制作，到金属零件坐褥，再到当今攻克超硬材料，增材制造正在说明我方不单是是一种快速原型时期，而是一种确凿的制造顺序。跟着更多难加工材料的增材制造工艺被建立出来，咱们可能会看到产物缱绻和制造历程的根人道变革。

广岛大学的团队决议延续校正他们的工艺，重心是处治裂纹问题和扩展到更复杂的面容。他们还在探索其他材料的应用可能性。丸本透露："制造切削器用、探索其他材料的使用以及进一步究诘奈何栽种耐用性是改日最受存眷的问题。"

当一种硬度仅次于钻石的材料不错像打印文献雷同逐层构建时，咱们不单是是在校正一种制造工艺，更是在拓展工程缱绻的可能性畛域。碳化钨钴合金的3D打印只是运转，它预示着一个超硬材料不错按需定制、面容不再受限的改日。那些依赖利害刀刃和耐磨名义的行业，从汽车制造到石油钻探，可能行将迎来一场静暗暗的改变。