Лазерный мир

Новый метод лазерной 3D-печати может сделать сверхтвердые режущие инструменты с меньшими отходами и затратами. Credit: Shutterstock Карбид вольфрама с кобальтовой связкой (WC-Co) ценится за способность выдерживать интенсивный износ, давление и многократное использование. Эта исключительная твердость делает его идеальным для промышленных инструментов, но одновременно создает серьезные производственные проблемы. Материал сложно формовать, дорого производить, и часто требуется больше сырья, чем в итоге попадает в готовое изделие. Исследователи испытали новый способ производства твердого сплава WC-Co с помощью аддитивных технологий (также известных как 3D-печать). Их подход может сократить отходы и снизить производственные затраты, сохранив прочность и твердость, которые делают материал таким полезным. Исследование опубликовано в International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. Почему карбид вольфрама так ценен Твердые сплавы WC-Co широко используются в приложениях, требующих экстремальной твердости и износостойкости, включая режущие инструменты, сверла, обрабатывающее оборудование и строительные инструменты. Материал сочетает карбид вольфрама, обеспечивающий твердость, с кобальтом, который действует как металлическая связка, удерживающая частицы карбида вместе. В настоящее время производители получают эти материалы в основном методом порошковой металлургии. В этом процессе тонкие порошки WC и Co сжимаются под высоким давлением и нагреваются в спекательных печах. Спекание связывает частицы вместе при повышенных температурах, не обязательно полностью расплавляя каждый компонент. Метод дает чрезвычайно прочные детали, но имеет недостатки. Вольфрам и кобальт — дорогостоящее сырье, а традиционное производство может использовать большое количество материала при относительно ограниченном выходе. Это делает сокращение отходов особенно важным. Исследователи изучили, может ли аддитивное производство стать более эффективной альтернативой. В отличие от традиционных методов, которые формируют деталь, удаляя материал или заполняя форму, аддитивное производство создает объект, размещая материал только там, где это необходимо. Лазер и нагретая проволока создают карбид Команда использовала лазерное облучение с горячей проволокой (также называемое лазерной сваркой горячей проволокой) — процесс, сочетающий лазерный луч с предварительно нагретой присадочной проволокой. Нагрев проволоки до того, как она достигнет рабочей поверхности, позволяет добавлять материал быстрее и эффективнее. Это может увеличить скорость осаждения (количество добавляемого присадочного металла), снижая при этом энергию, необходимую от лазера. Исследователи протестировали две схемы изготовления. В первой лазер был направлен на верхнюю часть стержня из твердого сплава, при этом стержень располагался впереди направления, в котором строился материал. Во второй лазер вел процесс и облучал область между нижней частью стержня из твердого сплава и основным материалом (железом). Вместо полного расплавления металлов оба метода размягчали их настолько, чтобы сформировать и осадить твердый сплав. Это различие важно, поскольку полное расплавление карбида вольфрама может изменить его внутреннюю структуру и снизить свойства, которые делают его ценным. «Твердые сплавы — это чрезвычайно твердые материалы, используемые для режущих кромок инструментов и аналогичных применений, но они изготовлены из очень дорогого сырья, такого как вольфрам и кобальт, поэтому сокращение расхода материала крайне желательно. Используя аддитивное производство, твердый сплав можно наносить только там, где он необходим, тем самым снижая расход материала», — сказал автор исследования Кейта Марумото, доцент Высшей школы передовой науки и техники Университета Хиросимы. Бездефектные карбиды промышленного класса Эксперименты показали, что этот подход позволяет сохранить твердость и механическую целостность, характерные для традиционно производимого твердого сплава WC-Co. Исследователи получили материал с твердостью выше 1400 HV (единица сопротивления проникновению) без дефектов и разложения. Измерение HV относится к твердости по Виккерсу — тесту, который оценивает, насколько сильно материал сопротивляется вдавливанию твердым наконечником. Значение выше 1400 HV ставит полученный карбид в ряд самых прочных материалов, обычно используемых в промышленности, уступая лишь сверхтвердым веществам, таким как сапфир и алмаз. Результаты показывают, что аддитивное производство может создавать формы из твердого сплава без серьезных дефектов, хотя результаты различались в зависимости от схемы изготовления. Метод с ведущим стержнем вызвал разложение части WC вблизи верхней части изготовленной структуры, создавая дефекты в конечном материале. Метод с ведущим лазером позволил избежать некоторых из этих проблем, но изначально с трудом поддерживал требуемую твердость. Исследователи решили эту проблему, добавив промежуточный слой на основе никелевого сплава. Они также тщательно контролировали и отслеживали температуру, чтобы она оставалась выше точки плавления кобальта, но ниже температуры роста зерен. Рост зерен происходит, когда микроскопические кристаллы внутри материала становятся крупнее, что может изменить его твердость и механические характеристики. С этими корректировками команда успешно получила твердый сплав методом аддитивного производства, не жертвуя его твердостью. Новая стратегия формовки сверхтвердых материалов Результаты создают основу для дальнейшего развития, но остается ряд проблем. Исследователи хотят уменьшить растрескивание, повысить долговечность и определить, как изготавливать более сложные формы. «Подход к формированию металлических материалов путем их размягчения, а не полного расплавления, является новым, и он потенциально может применяться не только к твердым сплавам, которые были в центре этого исследования, но и к другим материалам», — сказал Марумото. Будущая работа будет сосредоточена на производстве практичных режущих инструментов, тестировании процесса с дополнительными материалами и поиске способов сделать готовые компоненты еще более долговечными. Если технологию удастся отточить для крупномасштабного производства, она позволит производителям размещать дорогостоящий карбид только там, где это необходимо. Это может сделать современные инструменты менее расточительными и более экономичными, сохраняя при этом экстремальную твердость, необходимую для промышленного использования. Кейта Марумото и Мотоити Ямамото из Высшей школы передовой науки и техники Университета Хиросимы, а также Такаси Абэ, Кейго Нагамори, Хироси Итикава и Акио Нисияма из Mitsubishi Materials Hardmetal Corporation внесли вклад в это исследование.

Кейта Марумото, Такаси Абэ, Кейго Нагамори, Хироси Итикава, Акио Нисияма, Мотоити Ямамото. Влияние метода лазерного облучения горячей проволокой и промежуточного слоя на основе Ni-сплава на механические свойства и микроструктуру при аддитивном производстве твердого сплава WC–Co. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2026; 136: 107624 DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2025.107624 Rutab.net 

https://rutab.net/b/hardware/2026/08/04/uchenye-vpervye-napechatali-na-3d-printere-odin-iz-samyh-tverdyh-metallov-na-zemle.html