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尖锐，绝不卷刃。这些日常工业场景的幕后袼褙是碳化钨钴合金，一种硬度仅次于蓝相持和钻石的超硬材料。但有个问题长期困扰着制造业，这种材料太硬了，硬到一朝成型就险些无法再加工，导致坐蓐过程极其蚀本且精湛。

广岛大学的议论团队刚刚在《国外难熔金属与硬质材料杂志》上发表的议论，可能透顶编削这个场合。他们建立出一种将激光3D打印与热丝本事鸠合的新智商，成效制造出硬度跳跃1400维氏硬度的无颓势碳化钨钴部件。这不仅意味着材料蚀本不错大幅减少，更繁重的是，它为定制化复杂几何神色的超硬刀具掀开了大门，而这在传统制造中险些弗成能终了。

传统制造的窘境

碳化钨钴合金时时由约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，接近蓝相持的9.5级。钴动作金属粘结剂，将这些硬质颗粒平安地鸠合在一皆，同期赋予材料一定的韧性，幸免像纯陶瓷那样脆弱易碎。这种特有的组合使其成为切削刀具、矿山钻头、模具和耐磨部件的联想材料。

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羼杂均匀，压制成所需神色的坯体，然后在约1400摄氏度的高善良高压环境下烧结数小时。在这个过程中，钴融化并渗入到碳化钨颗粒之间的闲静，冷却后形成缜密的复合材料。

激光请示法走漏图。图片开首：丸本圭太/广岛大学

问题在于效果和天真性。源流，这个工艺只可坐蓐接近最终神色的零件，况兼由于烧结过程中会发生平缓，时时需要留出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困难和精湛。金刚石刀具是少数不祥切削硬质合金的器具之一，但加工速率慢，刀具磨损快，资本尽力。终结是多量精湛的原材料在加工过程中变成了废屑，材料讹诈率常常唯有30%到50%。

比年来，增材制造本事为处分这个问题带来了但愿。若是不祥像3D打印塑料或普通金属那样逐层堆积碳化钨钴合金，就不错只在需要的所在放手材料，大幅减少蚀本。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。

激光与热丝的奥密鸠合

这是取舍激光请示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。图片开首：丸本圭太/广岛大学

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广岛大学先进科学与工程议论生院的助理阐发注解丸本圭太指导团队建立的智商被称为热丝激光放射增材制造。这个本事的中枢念念想是用激光软化而不是皆备融化碳化钨钴材料，同期通过预热的金属丝提供很是的热量和材料。

为什么不径直融化？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。若是用激光径直融化统统这个词材料，会形成严重的温度梯度和身分不均。更灾祸的是，在极高温度下，碳化钨会解析成钨和碳，或者形成其他不需要的相，比如脆性的η相，这会严重毁伤材料的机械性能。传统的激光粉末床熔融本事在处理碳化钨钴时时时遭受这些问题，导致制品中出现裂纹、气孔和硬度不达标。

丸本团队的战略是将温度适度在一个精准的窗口内，高于钴的熔点以确保粘结，但低于碳化钨运转解析的温度。他们测试了两种树立。第一种是棒材请示法，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，然后将软化的材料鼎新到基材上。第二种是激光请示法，激光径直映照在棒材底部与基材战斗的界面区域，精准适度热输入。

两种智商都面对挑战。棒材请示法固然千里积速率快，但容易导致构建体上部温渡过高，碳化钨解析，开云体育形成颓势。激光请示法的温度适度更好，但单独使用时难以保管有余的硬度。

镍合金中间层的要津作用

遏制来自一个看似神圣但要津的创新，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。源流，它改善了热料理。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分散热量，幸免局部过热。其次，它减少了热彭胀统共不匹配带来的应力。碳化钨钴的热彭胀统共约为每摄氏度5到6微应变，而铁约为12微应变，这种相反在冷却过程中会产生庞大的残余应力，导致开裂。镍基合金充任了缓冲层，缓解了这种应力采集。

通过精准适度激光功率、扫描速率和预热温度，议论团队成效制造出硬度跳跃1400维氏硬度的碳化钨钴层，与传统粉末冶金家具稀疏。扫描电子显微镜分析清楚，微不雅结构中莫得彰着的裂纹、气孔或碳化钨解析的迹象。碳化钨颗粒保捏了原有的形态，均匀分散在钴基体中。

这是一个繁重的里程碑。1400维氏硬度是什么认识？动作对比，普通器具钢的硬度约为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以上维氏硬度使其不祥切削险些统统其他金属材料。这种硬度级别的材料在工业中极为要津，每年大师滥用数万吨用于制造多样刀具和耐磨部件。

从履行室到工业应用的挑战

尽管赢得了遏制，但距离大鸿沟工业应用还有很长的路要走。现时议论主要采集在制造相对神圣的几何神色，如平面堆焊层和神圣的模具。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，需要处分更多本事难题。

一个要津挑战是裂纹适度。固然议论团队成效制造了无颓势的样品，但这需要稀疏精准的工艺参数适度。任何温度分散的不均匀或冷却速率的波动都可能导致裂纹。当几何神色变得复杂时，热料理的难度会成倍加多。异日的议论需要建立更先进的过程监控和自合乎适度系统，及时调遣激光功率和扫描旅途。

另一个挑战是坐蓐效果。面前的热丝激光放射智商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蓐比拟仍然较慢。关于无数目圭臬化家具，传统智商可能仍然更经济。但关于小批量、高定制化的应用，增材制造的上风就稀疏彰着了。

丸本对异日捏乐不雅魄力。他指出："通过软化金属材料而不是皆备融化来成型的智商是新颖的，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。"如实，这种念念路可能适用于其他高熔点或易解析的材料体系，如陶瓷基复合材料、高温合金或金属间化合物。

重塑刀具制造的异日

这项本事的潜在影响不单是是减少材料蚀本。它可能从根柢上编削刀具计算的式样。传统制造的放荡迫使工程师计算神圣的几何神色，但增材制造不错终了畴昔弗成能的复杂里面结构。

举例，不错制造带有梯度身分的刀具，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资本更低的材料。这种功能梯度材料不错优化性能和资本。还不错计算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，显赫提升刀具寿命和加工效果。

矿业和建筑行业也可能受益。定制化的钻头不错证据特定的地质要求优化计算，提升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，而不是统统这个词模具都使用精湛的材料。

从更宏不雅的角度看，这项议论是增材制造本事握住扩展材料河山的又一个例子。从领先的塑料原型制作，到金属零件坐蓐，再到当今攻克超硬材料，增材制造正在阐发我方不单是是一种快速原型本事，而是一种信得过的制造智商。跟着更多难加工材料的增材制造工艺被建立出来，咱们可能会看到家具计算和制造过程的根人性变革。

广岛大学的团队决策赓续矫正他们的工艺，要点是处划分纹问题和扩展到更复杂的神色。他们还在探索其他材料的应用可能性。丸本走漏："制造切削器具、探索其他材料的使用以及进一步议论如何提升耐用性是异日最受关爱的问题。"

当一种硬度仅次于钻石的材料不错像打印文献相似逐层构建时，咱们不单是是在矫正一种制造工艺，更是在拓展工程计算的可能性范畴。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、神色不再受限的异日。那些依赖尖锐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创新。