Научно-исследовательская группа Университета Хиросимы в Японии недавно объявила, что она успешно разработала новый процесс 3D-печати карбида вольфрама-кобальта, открывая новый путь для производства высококачественных инструментов, используемых в экстремальных условиях работы. Этот прорыв решает давнюю ключевую проблему в области аддитивного производства: как придавать сложную форму сверхтвердым композитным материалам, не повреждая внутреннюю структуру.
Основная идея исследовательской группы состоит в том, чтобы позволить материалу «размягчиться» в контролируемых условиях, а не полностью расплавиться в традиционном смысле. Они используют процесс, называемый «лазерным облучением горячей проволоки», для нагрева сварочной проволоки из карбида вольфрама с помощью лазера до пластического состояния, сводя к минимуму дефекты, сохраняя при этом чрезвычайно высокую твердость. Ожидается, что этот метод изменит способ производства твердых инструментов в таких областях, как резка, сверление и машиностроение.
В отличие от обычной 3D-печати металлом, которая обычно основана на полностью плавлении металлического порошка или сварочной проволоки, команда Университета Хиросимы использовала лазер для точного нагрева сварочной проволоки из карбида вольфрама, чтобы она достигала только пластикового, а не расплавленного состояния. Такой контроль температуры позволяет избежать таких проблем, как аномальный рост зерен и разложение компонентов, которые часто возникают при высоких температурах, тем самым защищая микроструктуру материала. Чтобы добиться надежного металлургического соединения между формирующими многослойными структурами, исследователи в процессе печати в качестве промежуточного слоя ввели слой сплава на основе никеля, чтобы сделать общую структуру более плотной.
Результаты испытаний показывают, что твердость поверхности компонентов, изготовленных с помощью этого нового процесса, превышает 1400 HV, что близко к уровню твердости материалов ювелирного качества, таких как сапфир. Кейта Марумото, доцент Высшей школы передовых наук и техники Университета Хиросимы, отвечающий за проект, сказал, что этот метод на самом деле является новой идеей для формирования металлических материалов. Хотя в настоящее время он в основном ориентирован на твердый сплав, представленный WC-Co, ожидается, что он в принципе будет распространен и на другие труднообрабатываемые композиционные материалы.
Карбид вольфрама-кобальта широко используется в промышленных режущих инструментах, сверлах и инструментах строительной техники благодаря своей чрезвычайно высокой износостойкости и стабильным характеристикам в условиях трения, высоких температур и сильных механических напряжений. Однако именно это «почти неуязвимое» свойство делает материал чрезвычайно трудным для обработки в сложные формы с использованием традиционных процессов. В настоящее время общепринятой практикой является засыпка порошка в форму и его спекание, что не только ограничивает сложность геометрической структуры, но и приводит к большим потерям материала. Теоретически аддитивное производство может решить как структурную сложность, так и проблемы использования материала, но только в том случае, если сам материал выдерживает процесс печати.
Решение, предложенное командой Университета Хиросимы, представляет собой «средний путь» между сваркой и 3D-печатью. Точно регулируя мощность лазера и скорость подачи проволоки, они размягчили твердый сплав настолько, чтобы его можно было формировать слой за слоем, не разрушая его первоначальную микроструктуру. Этот контролируемый процесс фазового перехода не только препятствует растрескиванию, но также поддерживает разумное распределение связующей фазы кобальта внутри материала, поддерживая баланс между твердостью и ударной вязкостью.
Исследовательская группа также подчеркнула, что эта технология все еще совершенствуется, и они продолжают оптимизировать технологическое окно, чтобы полностью исключить остаточные проблемы, такие как локальное растрескивание. Следующий шаг будет сосредоточен на проверке применимости и устойчивости этого метода на более сложных геометриях. Как только эти технические препятствия будут решены, в будущем станет реальностью производство промышленных инструментов сложной формы, длительного срока службы и более эффективного использования материалов посредством аддитивного производства. Это также цель, которую инженеры уже давно преследуют, но ей не удается достичь при работе со сверхтвердыми композитными материалами.