淺談硬質(zhì)合金的增材制造

目前 3D 打印的材料范圍主要包括有機(jī)高分子材料（塑料、樹脂、橡膠等）、金屬材料（鎳基高溫合金、鈦合金、鎂鋁合金、不銹鋼、貴金屬等）、陶瓷材料（氧化鋁-氧化鋯共熔體）等等，3D 打印對于硬質(zhì)合金材料的研究和產(chǎn)業(yè)化遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他材料。 

硬質(zhì)合金是一種復(fù)合材料，通常包括難熔金屬碳化物（鈦、鉬、鎢、鉭、鈮等的碳化物）和粘結(jié)金屬（鎳、鉬、鎢、鈷等），通過粉末冶金等方式燒結(jié)而成。硬質(zhì)合金具備優(yōu)良的力學(xué)性能，有良好的耐磨性能、抗氧化性以及熱穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于金屬切割和成形應(yīng)用，磨料漿噴嘴、機(jī)械密封圈和軸承，石油鉆井等方面，被譽(yù)為“工業(yè)的牙齒”。

硬質(zhì)合金一般通過傳統(tǒng)手段如注射成型、擠壓成型、模壓成型、熱壓、熱等靜壓、火花等離子燒結(jié)等方式制備。此外，等離子噴涂、反應(yīng)火焰噴涂、鎢惰性氣體（TIG）電弧熔化和激光表面處理等表面改性方法已被應(yīng)用于硬質(zhì)合金包覆材料和涂層的制備。

當(dāng)前硬質(zhì)合金制備技術(shù)仍然面臨一些嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，這主要包括： 

硬質(zhì)合金產(chǎn)品制備完全依賴模具，而模具成本高、周期長、后續(xù)加工成本高（很多時候占成本 50%以上），對硬質(zhì)合金制造成本造成很大影響； 

很多復(fù)雜形狀硬質(zhì)合金制品無法采用常規(guī)及先進(jìn)粉末冶金方法制備，例如中空件、內(nèi)孔、內(nèi)凹槽、小角度彎角、刀具的斷屑槽等，嚴(yán)重限制了硬質(zhì)合金制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間； 

傳統(tǒng)硬質(zhì)合金制備技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)多功能/變化功能復(fù)合結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的制備，明顯阻礙了硬質(zhì)合金的應(yīng)用領(lǐng)域拓展和優(yōu)勢發(fā)揮。 

增材制造（AM）是一種顛覆性的技術(shù)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)的 CAD 文件逐層累積材料形成復(fù)雜形狀的零件。增材制造技術(shù)能夠輕易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀零件的生產(chǎn)制備，有望在硬質(zhì)合金的生產(chǎn)應(yīng)用上降低生產(chǎn)成本。因此，硬質(zhì)合金的增材制造越來越受到人們的重視。

對于金屬增材制造技術(shù)而言，主要的技術(shù)手段包括粉末床融合（PBF），如激光選區(qū)熔化（SLM）和電子束增材制造（EBM）；直接能量沉積（DED），如激光近凈成型（LENS）和電弧增材制造（WAAM）。由于硬質(zhì)合金極高的熔點(diǎn)，使用增材制造技術(shù)仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。

目前，已經(jīng)使用于硬質(zhì)合金的增材制造技術(shù)主要包括：激光選區(qū)熔化（SLM）、激 光 選 區(qū) 燒 結(jié)（SLS）、激 光 近 凈 成 型（LENS）、粘接劑噴射 3D 打?。?DP）、3D 凝膠打?。?DGP）。增材制造技術(shù)能夠成功制備接近理論密度、力學(xué)性能良好的硬質(zhì)合金零件，但也存在許多的問題。裂紋、孔洞、表面粗糙等是增材制造硬質(zhì)合金中不可避免的質(zhì)量缺陷，而且增材制造本身的重復(fù)加熱冷卻過程會形成獨(dú)有的微觀組織，影響零件性能。而通過熱等靜壓和熱處理等后處理手段又會帶來額外的時間和成本，阻礙了增材制造硬質(zhì)合金的發(fā)展進(jìn)程。

選擇性激光燒結(jié)（SLS）是快速成型（RP）技術(shù)之一，分別為間接激光燒結(jié)（EMLS）和直接激光燒結(jié)（DMLS）。它可以直接以金屬粉末制造任意形狀的三維（3D）零件，適用于硬質(zhì)合金進(jìn)行小批量制造。

硬質(zhì)合金的 SLS 成形技術(shù)往往需要后續(xù)處理，如元素熔滲提高綜合性能。通過添加稀土氧化物作為形核位點(diǎn)細(xì)化晶粒能夠提高零件的相對密度和微觀硬度。

硬質(zhì)合金的 LENS 成形技術(shù)中，提高激光功率密度和進(jìn)粉速度能夠得到更高的樣品高度，提高成形質(zhì)量。LENS 制備的合金在高度方向上存在力學(xué)性能的不一致性，其建造方向與 SLM 類似，存在層狀組織。

硬質(zhì)合金的3DP成形技術(shù)工作溫度較低，避免了元素蒸發(fā)，顯微組織均勻，耐磨性更好。通過使用粘結(jié)金屬（鎳、鉬、鎢、鈷等）作為金屬粘合劑后處理滲透，能夠得到與傳統(tǒng)硬質(zhì)合金相媲美的零件。

硬質(zhì)合金的 3DGP 成形技術(shù)零件一般不存在明顯的裂紋和孔洞缺陷，組織整體分布均勻，力學(xué)性能優(yōu)良。

激光選區(qū)熔化(SLM)技術(shù)是利用高能激光將金屬粉末完全熔化，經(jīng)快速冷卻凝固成型。與 SLM 打印金屬材料相比，硬質(zhì)合金的 SLM 打印難度要大得多，致密化機(jī)理也更為復(fù)雜，其根本原因在于 SLM 打印工藝過程中只有 Co 粘接相能夠熔化，WC 陶瓷相由于熔點(diǎn)非常高（大于 2700℃），在打印過程中不會熔化并嚴(yán)重阻礙硬質(zhì)合金的致密化進(jìn)程。

硬質(zhì)合金的 SLM 成形技術(shù)易產(chǎn)生裂紋孔洞缺陷，通過適當(dāng)增加 WC-Co合金中 Co含量可以避免脆性相的產(chǎn)生，減小裂紋敏感性。通過工藝可以調(diào)控合金的微觀組織?；谶@些特征，可以通過調(diào)整能量密度來獲得不同的微觀組織結(jié)構(gòu)。對于硬質(zhì)合金，高能密度產(chǎn)生的是 WC晶粒小、Co含量低的脆性組織；低能量密度產(chǎn)生的是 WC 晶粒大、Co 含量高的韌性組織。通過工藝調(diào)控組織是 SLM 制備零件的重要手段，然而目前仍缺乏進(jìn)一步的研究。

SLM 目前難以生產(chǎn)近乎理論密度的硬質(zhì)合金零件，需要進(jìn)一步研究工藝與零件成形質(zhì)量和組織之間的關(guān)系；3DP 和 3DGP 相比 SLM 能夠得到性能更優(yōu)的零件，組織更加均勻，但成形精度較低，工藝復(fù)雜，應(yīng)考慮工藝改進(jìn)或者實(shí)施相應(yīng)的后處理工藝。增材制造硬質(zhì)合金的一個主要應(yīng)用是生產(chǎn)刀具和模具，因此，相應(yīng)零件的切削耐久性、斷裂行為、磨損機(jī)理應(yīng)進(jìn)一步研究。為了擴(kuò)展增材制造硬質(zhì)合金零件的適用性，未來研究中應(yīng)結(jié)合傳統(tǒng)工藝如熱等靜壓，進(jìn)一步提高零件的綜合性能，滿足復(fù)雜零件的制備要求。