浅谈硬质合金的增材制造

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目前 3D 打印的材料范围主要包括有机高分子材料（塑料、树脂、橡胶等）、金属材料（镍基高温合金、钛合金、镁铝合金、不锈钢、贵金属等）、陶瓷材料（氧化铝-氧化锆共熔体）等等，3D 打印对于硬质合金材料的研究和产业化远远落后于其他材料。

1. 什么是硬质合金？

硬质合金是一种复合材料，通常包括难熔金属碳化物（钛、钼、钨、钽、铌等的碳化物）和粘结金属（镍、钼、钨、钴等），通过粉末冶金等方式烧结而成。硬质合金具备优良的力学性能，有良好的耐磨性能、抗氧化性以及热稳定性，广泛应用于金属切割和成形应用，磨料浆喷嘴、机械密封圈和轴承，石油钻井等方面，被誉为“工业的牙齿”。

2. 硬质合金的传统制造方法

硬质合金一般通过传统手段如注射成型、挤压成型、模压成型、热压、热等静压、火花等离子烧结等方式制备。此外，等离子喷涂、反应火焰喷涂、钨惰性气体（TIG）电弧熔化和激光表面处理等表面改性方法已被应用于硬质合金包覆材料和涂层的制备。

当前硬质合金制备技术仍然面临一些严峻的技术挑战，这主要包括：

硬质合金产品制备完全依赖模具，而模具成本高、周期长、后续加工成本高（很多时候占成本 50%以上），对硬质合金制造成本造成很大影响；

很多复杂形状硬质合金制品无法采用常规及先进粉末冶金方法制备，例如中空件、内孔、内凹槽、小角度弯角、刀具的断屑槽等，严重限制了硬质合金制品的结构设计空间；

传统硬质合金制备技术无法实现多功能/变化功能复合结构、梯度结构硬质合金的制备，明显阻碍了硬质合金的应用领域拓展和优势发挥。

3. 硬质合金的增材制造方法

增材制造（AM）是一种颠覆性的技术，可以根据设计的 CAD 文件逐层累积材料形成复杂形状的零件。增材制造技术能够轻易实现复杂几何形状零件的生产制备，有望在硬质合金的生产应用上降低生产成本。因此，硬质合金的增材制造越来越受到人们的重视。

对于金属增材制造技术而言，主要的技术手段包括粉末床融合（PBF），如激光选区熔化（SLM）和电子束增材制造（EBM）；直接能量沉积（DED），如激光近净成型（LENS）和电弧增材制造（WAAM）。由于硬质合金极高的熔点，使用增材制造技术仍然具有很大的挑战性。

目前，已经使用于硬质合金的增材制造技术主要包括：激光选区熔化（SLM）、激光选区烧结（SLS）、激光近净成型（LENS）、粘接剂喷射 3D 打印（3DP）、3D 凝胶打印（3DGP）。增材制造技术能够成功制备接近理论密度、力学性能良好的硬质合金零件，但也存在许多的问题。裂纹、孔洞、表面粗糙等是增材制造硬质合金中不可避免的质量缺陷，而且增材制造本身的重复加热冷却过程会形成独有的微观组织，影响零件性能。而通过热等静压和热处理等后处理手段又会带来额外的时间和成本，阻碍了增材制造硬质合金的发展进程。

选择性激光烧结（SLS）是快速成型（RP）技术之一，分别为间接激光烧结（EMLS）和直接激光烧结（DMLS）。它可以直接以金属粉末制造任意形状的三维（3D）零件，适用于硬质合金进行小批量制造。

硬质合金的 SLS 成形技术往往需要后续处理，如元素熔渗提高综合性能。通过添加稀土氧化物作为形核位点细化晶粒能够提高零件的相对密度和微观硬度。

硬质合金的 LENS 成形技术中，提高激光功率密度和进粉速度能够得到更高的样品高度，提高成形质量。LENS 制备的合金在高度方向上存在力学性能的不一致性，其建造方向与 SLM 类似，存在层状组织。

硬质合金的3DP成形技术工作温度较低，避免了元素蒸发，显微组织均匀，耐磨性更好。通过使用粘结金属（镍、钼、钨、钴等）作为金属粘合剂后处理渗透，能够得到与传统硬质合金相媲美的零件。

硬质合金的 3DGP 成形技术零件一般不存在明显的裂纹和孔洞缺陷，组织整体分布均匀，力学性能优良。

4. 激光选区熔化制造硬质合金

激光选区熔化(SLM)技术是利用高能激光将金属粉末完全熔化，经快速冷却凝固成型。与 SLM 打印金属材料相比，硬质合金的 SLM 打印难度要大得多，致密化机理也更为复杂，其根本原因在于 SLM 打印工艺过程中只有 Co 粘接相能够熔化，WC 陶瓷相由于熔点非常高（大于 2700℃），在打印过程中不会熔化并严重阻碍硬质合金的致密化进程。

硬质合金的 SLM 成形技术易产生裂纹孔洞缺陷，通过适当增加 WC-Co合金中 Co含量可以避免脆性相的产生，减小裂纹敏感性。通过工艺可以调控合金的微观组织。基于这些特征，可以通过调整能量密度来获得不同的微观组织结构。对于硬质合金，高能密度产生的是 WC晶粒小、Co含量低的脆性组织；低能量密度产生的是 WC 晶粒大、Co 含量高的韧性组织。通过工艺调控组织是 SLM 制备零件的重要手段，然而目前仍缺乏进一步的研究。

5. 增材制造硬质合金的未来

SLM 目前难以生产近乎理论密度的硬质合金零件，需要进一步研究工艺与零件成形质量和组织之间的关系；3DP 和 3DGP 相比 SLM 能够得到性能更优的零件，组织更加均匀，但成形精度较低，工艺复杂，应考虑工艺改进或者实施相应的后处理工艺。增材制造硬质合金的一个主要应用是生产刀具和模具，因此，相应零件的切削耐久性、断裂行为、磨损机理应进一步研究。为了扩展增材制造硬质合金零件的适用性，未来研究中应结合传统工艺如热等静压，进一步提高零件的综合性能，满足复杂零件的制备要求。

来源：增材制造硕博联盟

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首次发布时间：2023-03-19