Ученые нашли способ напечатать на 3D-принтере один из самых твердых металлов на Земле.

Карбид вольфрама-кобальт (WC-Co) высоко ценится за свою исключительную твердость, но эта же прочность делает его очень сложным в обработке и производстве. Современные методы производства требуют больших объемов дорогостоящего материала, обеспечивая при этом относительно скромный выход готовой продукции. В результате исследователи ищут более эффективный и экономичный способ производства этих исключительно прочных материалов.

Твердые сплавы WC-Co необходимы для применений, требующих высокой износостойкости и твердости, включая режущие и строительные инструменты. Традиционно эти материалы производятся методом порошковой металлургии. В этом процессе порошки WC и Co сжимаются под высоким давлением и нагреваются в спекательных машинах для образования твердых твердых сплавов. Хотя этот метод позволяет получать очень долговечные конечные изделия, он использует значительные объемы дорогостоящего сырья и обеспечивает низкую производительность.

Для решения этой проблемы исследователи изучили другой подход, используя аддитивное производство (АМ, также известное как 3D-печать). В их работе также используется технология, называемая лазерным облучением горячей проволокой. В совокупности эти методы направлены на создание твердых сплавов, сохраняющих свою прочность и долговечность, при одновременном снижении отходов материала и производственных затрат.

Результаты исследования были опубликованы в Международном журнале огнеупорных металлов и твердых материалов и должны появиться в печатном выпуске журнала в апреле 2026 года.

Подход к аддитивному производству на основе лазерных технологий

В исследовании изучалось аддитивное производство с использованием лазерного облучения горячей проволокой и тестировались две различные стратегии изготовления. Лазерное облучение горячей проволокой (также называемое лазерной сваркой горячей проволокой) сочетает лазерный луч с нагретой присадочной проволокой. Такое сочетание увеличивает скорость осаждения (количество добавляемого присадочного металла) и повышает общую эффективность производства.

В одном из экспериментальных подходов твердосплавный стержень задает направление процесса изготовления, а лазер непосредственно облучает верхнюю часть стержня. Во втором подходе лазер управляет процессом и направляет энергию между нижней частью твердосплавного стержня и основным материалом (железом). В обеих методиках материалы размягчаются в процессе изготовления, а не полностью расплавляются для образования твердосплавной структуры.

«Твердые сплавы — это чрезвычайно твердые материалы, используемые для изготовления режущих кромок инструментов и в аналогичных областях применения, но они изготавливаются из очень дорогостоящего сырья, такого как вольфрам и кобальт, что делает сокращение расхода материалов крайне желательным. Благодаря использованию аддитивных технологий твердые сплавы могут наноситься только там, где это необходимо, тем самым снижая потребление материала», — сказал ведущий автор исследования Кейта Марумото, доцент Высшей школы передовых наук и инженерии Хиросимского университета.

Достижение безупречной промышленной твердости

Эксперименты показали, что эта стратегия аддитивного производства позволяет сохранить твердость и механическую прочность, обычно достигаемые при использовании традиционных методов производства. Полученный материал достиг твердости выше 1400 HV (единица измерения сопротивления проникновению), при этом избегая дефектов и разрушения материала.

Материалы с таким уровнем твердости относятся к числу самых прочных, используемых в промышленности, и занимают место сразу после сверхтвердых материалов, таких как сапфир и алмаз. Изготовление твердосплавных форм без дефектов представляется достижимым при таком подходе, что и являлось основной целью исследования. Однако результаты варьировались в зависимости от используемого метода изготовления.

Например, метод нанесения стержня приводил к разложению карбида вольфрама вблизи верхней части изделия, что создавало дефекты в готовом материале. Метод лазерного нанесения также испытывал трудности с поддержанием твердости, необходимой для успешного результата.

Исследователи решили эти проблемы, внедрив промежуточный слой на основе никелевого сплава. В сочетании с тщательным контролем температурных условий (выше точки плавления кобальта, ниже температуры роста зерен) эта корректировка позволила производить твердые сплавы с использованием аддитивных технологий, сохраняя при этом твердость материала.

Перспективные усовершенствования и области применения

Полученные результаты представляют собой многообещающую отправную точку для дальнейшего развития. В будущих работах основное внимание будет уделено снижению образования трещин в процессе изготовления и обеспечению возможности создания более сложных форм.

«Подход к формованию металлических материалов путем их размягчения, а не полного расплавления, является новаторским и потенциально может быть применен не только к твердым сплавам, которые были предметом данного исследования, но и к другим материалам», — сказал Марумото.

В перспективе исследователи планируют изготавливать режущие инструменты, изучать возможности использования других материалов и продолжать исследования способов повышения долговечности деталей, изготовленных с помощью этой технологии.

Кейта Марумото и Мотомичи Ямамото из Высшей школы передовых наук и техники Университета Хиросимы, а также Такаши Абэ, Кейго Нагамори, Хироши Итикава и Акио Нисияма из Mitsubishi Materials Hardmetal Corporation внесли свой вклад в это исследование.

Источник: www.sciencedaily.com