Лазерная 3D-печать WC-Co

Одной из основных проблем какого-либо производства являются отходы. Они напрямую влияют не только на экологические аспекты производства, но и на экономические. Для изготовления часто требуется больше материала, чем будет присутствовать в готовом продукте, сам материал может быть сложен в обращении и требовать специальных условий для манипуляции им. Одним из таких материалов является карбид вольфрама-кобальт (WC-Co) — крайне износостойкий, выдерживающий сильное давление и многократное использование сплав. Несмотря на эти преимущества, с ним крайне сложно работать. Ученые из Университета Хиросимы (Япония) разработали новый метод 3D-печати, который может использовать WC-Co в качестве «чернил». Из чего сделан данный 3D-принтер, каков принцип его работы, и насколько он эффективен в работе с WC-Co? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Твердые сплавы WC–Co широко применяются в различных областях, включая изготовление режущего и строительного инструмента, благодаря высокой твердости и износостойкости. На твердость сплавов WC–Co влияют размер зерен WC и соотношение WC и Co. Как правило, твердость выше при меньшем размере зерен WC и более низком содержании Co. Твердые сплавы WC–Co обычно получают методами порошковой металлургии. Этот способ предусматривает прессование порошков WC и Co под высоким давлением с последующим их спеканием при термической обработке, что позволяет получать изделия с небольшим количеством дефектов. Однако при изготовлении крупногабаритных изделий из твердых сплавов выход годной продукции и коэффициент использования материала низки, что повышает стоимость производства. Свойства твердых сплавов необходимы лишь на отдельных участках изделия, например на режущей кромке, где требуется высокая износостойкость. Поэтому стоимость продукции можно значительно снизить, используя твердый сплав только на необходимых участках, а также применяя мультиматериальное производство или аддитивное производство (AM от additive manufacturing), позволяющее создавать изделия сложной формы. Кроме того, в традиционных методах производства максимальный размер изделий ограничивается размерами печей для спекания и другого аналогичного оборудования. Применение AM позволяет аддитивно изготавливать крупногабаритные изделия из твердых сплавов, производство которых ранее было невозможно.

Благодаря перечисленным выше преимуществам исследуются различные методы применения AM для изготовления твердых сплавов. Основное внимание уделяется плавлению в порошковом слое (PBF от powder bed fusion), направленному энергетическому осаждению (DED от direct energy deposition) и струйному нанесению связующего. Формируемые изделия часто полностью состоят из твердого сплава, например режущие пластины или вырубные инструменты. Также исследуется мультиматериальное аддитивное производство, при котором твердый сплав сочетают с другими материалами, однако число таких исследований невелико и изучены лишь отдельные сочетания материалов.

При AM методом PBF порошковый слой облучается лазером с высокой плотностью энергии, в результате чего порошок плавится и соединяется с соседним слоем. Формирующаяся микроструктура также изменяется в зависимости от плотности энергии лазерного излучения. В исследовании «Formation process of microstructure in laser powder bed fusion with WC cemented carbide powder ^[1]» использовали порошок WC–25Co для изучения микроструктуры сформированного образца. Авторы обнаружили, что микроструктура имела двухслойное строение относительно области лазерного воздействия, а в зоне, расположенной вблизи точки облучения, были выявлены углерод и W₂C, образовавшиеся в результате разложения WC. В твердых сплавах, полученных методом PBF, наблюдаются поры и укрупненные частицы WC. Также были предложены методы уменьшения количества таких пор посредством термической обработки. Было показано, что термическая обработка позволяет устранить часть пор и трещин.

AM методом DED представляет собой способ формирования изделий, при котором порошок подают на материал основы, после чего порошок и материал основы совместно нагревают лазером. Этот метод также применяется для наплавки. При таком способе формирования изделий также выявляются укрупнение зерен WC и присутствие W₂C, образующегося при разложении WC. Также проводятся исследования, направленные на уменьшение количества таких дефектов. В исследовании «Porosity reduction in WC-12Co laser cladding by aluminum addition ^[2]» удалось уменьшить количество дефектов в виде пустот путем добавления алюминия, связывающего CO, который образуется при формировании W₂C. Кроме того, в «Multilayered WC–Co coatings by Direct Energy Deposition-based cladding:Effect of laser remelting on interface defects ^[3]» уменьшили количество пористых дефектов за счет повторного лазерного расплавления поверхности сформированного изделия после нанесения каждого слоя. Однако ни в одном исследовании до настоящего времени не удалось получить структуру твердого сплава, полностью лишенную дефектов.

AM методом струйного нанесения связующего представляет собой процесс, при котором связующее вещество распыляют на порошковый слой для формирования трехмерного изделия. Сразу после формирования изделие удерживается только связующим веществом, поэтому его необходимо подвергать спеканию. В результате удаления связующего и последующего спекания происходит значительное изменение объема изделия по сравнению с его состоянием непосредственно после формирования. Поэтому при реальном изготовлении изделий необходимо заранее прогнозировать и учитывать это изменение объема. В изделиях, изготовленных методом струйного нанесения связующего, также могут образовываться укрупненные зерна WC и поры, поэтому получение полностью однородных и бездефектных изделий из твердых сплавов остается сложной задачей.

При AM с использованием порошка WC разлагается под воздействием лазерного излучения, в результате чего образуются дефекты пористости и W₂C. Сам порошок также содержит поры и примеси, отличные от WC и Co, в частности W₂C и графит, и эти дефекты влияют на свойства сформированного изделия. По этой причине получение бездефектных изделий из твердого сплава затруднено. Кроме того, относительная плотность сформированных изделий ограничивается примерно 98%, поэтому при AM с использованием порошка трудно получать изделия такого же высокого качества, как твердые сплавы, применяемые для режущих кромок.

В рассматриваемом нами сегодня труде для получения бездефектного изделия в качестве исходного материала ученые использовали стержни из твердого сплава, изготовленные методом порошковой металлургии. Такой подход позволяет осуществлять формирование изделия с сохранением свойств спеченного твердосплавного стержня, таких как размер зерен WC и соотношение WC:Co. Кроме того, такой стержневой материал содержит меньше дефектов, чем порошок твердого сплава. Изделие формировали путем лазерного облучения твердосплавных стержней и материала основы. Получить заданную форму путем плавления твердого сплава только лазером, как при DED с использованием проволоки, затруднительно из-за большого диаметра стержня и высокой твердости материала. Для решения этой проблемы ученые применили метод горячей проволоки (hot-wire), позволяющий предварительно нагревать твердосплавный стержень перед формированием изделия. Метод горячей проволоки применяется при сварке и заключается в нагреве подаваемого материала, как правило проволоки, почти до температуры плавления путем пропускания через него электрического тока. Поскольку подаваемый материал нагревается до поступления в сварочную ванну, этот метод позволяет выполнять высокоэффективную сварку при низком тепловложении. Этот метод можно использовать для материалов любой формы, которые способны нагреваться при прохождении электрического тока, в том числе для твердосплавных стержней большого диаметра, применяемых в данном исследовании. Кроме того, температуру нагрева можно регулировать путем изменения силы тока.

При формировании твердого сплава чрезмерное тепловложение может приводить к разложению WC и, как следствие, к образованию дефектов. Аналогичный эффект ожидается и при подаче и формировании спеченных твердосплавных стержней. Поэтому в данном исследовании ученые установили влияние способа лазерного облучения на структуру сформированного изделия. Кроме того, поскольку было установлено, что сталь, используемая в качестве материала основы, оказывает отрицательное влияние на сформированное изделие, ученые испытали способ изготовления с введением промежуточного слоя между материалом основы и формируемым изделием. Материал промежуточного слоя должен быть совместим с твердым сплавом. В качестве связующих компонентов твердых сплавов часто используются Co и Ni. Поэтому ученые исследовали возможность применения сплава на основе Ni в качестве промежуточного слоя. Явления, происходившие при применении различных способов изготовления, исследовали посредством наблюдения микроструктуры, анализа химического состава и структурного анализа полученных твердых сплавов.

Подготовка к исследованию

Таблица №1

В данном исследовании в качестве материала основы использовали сталь S50C в виде пластины толщиной 10 мм, а промежуточный слой на материале основы формировали с использованием проволоки из сплава на основе Ni диаметром 1.2 мм. Химический состав материала основы и проволоки, использованной для формирования промежуточного слоя, приведен в таблице №1. Для формирования изделия использовали стержни из твердого сплава WC–Co диаметром 2.7 мм состава WC–16%Co со средним размером зерен 0.64 мкм. На 1a представлена микрофотография твердосплавных стержней, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM от scanning electron microscope), а на 1b — распределение зерен по размерам.

Изображение №1

Для формирования изделия с использованием твердосплавного стержня диаметром 2.7 мм требуется лазерное пятно большого размера. Поэтому в качестве источника лазерного нагрева использовали диодный лазер (Laserline, модель LDF-6000). В тех случаях, когда в соответствии со способом формирования требовалось увеличить размер лазерного пятна, с помощью технологии формирования пучка создавали прямоугольное лазерное пятно. Для пропускания электрического тока через твердосплавный стержень использовали источник питания для метода горячей проволоки (Babcock-Hitachi, модель IV1320). Ток подавали импульсами с частотой 100 Гц и коэффициентом заполнения 50%. Величину тока для нагрева стержня определили по результатам предварительных экспериментов и устанавливали на уровне, при котором стержень размягчался даже без дополнительного тепловложения от лазера. Для предотвращения окисления формируемого изделия использовали защитную среду из аргона. Аргон подавали через сопло сверху относительно твердосплавного стержня с расходом 30 л/мин.

Таблица №2

Для определения влияния способа лазерного облучения на структуру изделия из твердого сплава ученые провели эксперименты с использованием двух схем: в первой твердосплавный стержень располагался впереди лазерного пятна по направлению формирования, а во второй впереди располагалось лазерное пятно. Схемы экспериментов для обоих способов лазерного облучения представлены на 2a и 2b, а соответствующие экспериментальные условия — в столбцах (a) и (b) таблицы №2.

Изображение №2

При способе с опережающим стержнем использовали прямоугольное лазерное пятно размером 2.0 × 3.0 мм, ширина которого превышала диаметр твердосплавного стержня. Лазер непосредственно облучал стержень таким образом, чтобы тепловое воздействие лазера распространялось также на материал основы. При способе с опережающим лазером использовали лазерное пятно диаметром 2.0 мм, то есть меньшего размера, чем диаметр твердосплавного стержня, и облучали область между твердосплавным стержнем и материалом основы. Кроме того, при этом способе позади зоны формирования по направлению движения размещали водоохлаждаемые медные ролики, которые предотвращали отслоение стержня и обеспечивали его охлаждение.

Изображение №3

На основании результатов экспериментов по исследованию способов лазерного облучения твердый сплав формировали на материале основы, на который предварительно наносили промежуточный слой из сплава на основе Ni, используя схему с опережающим лазером. Промежуточный слой формировали методом горячей проволоки с лазерным нагревом. Фотография поперечного сечения сформированного промежуточного слоя представлена выше. Толщина промежуточного слоя в центральной части составляла приблизительно 2 мм, при этом зона термического влияния в материале основы была минимальной, а глубина проплавления — небольшой.

Экспериментальные условия ученые выбирали на основании результатов экспериментов с различными способами лазерного облучения, при этом мощность лазера и ток горячей проволоки были значительно снижены. Кроме того, чтобы предотвратить непосредственное воздействие лазера на твердосплавный стержень за счет расплавления промежуточного слоя и увеличить объем расплавленного материала промежуточного слоя, использовали лазерное пятно размером 1.6 × 6.0 мм, превышающим диаметр стержня. Экспериментальные условия при использовании промежуточного слоя из сплава на основе Ni приведены в столбце c таблицы №2.

Процесс формирования наблюдали с помощью высокоскоростной камеры. Для уменьшения влияния отраженного лазерного излучения на объектив высокоскоростной камеры устанавливали полосовой фильтр с центральной длиной волны 730 нм. Для исследования структуры сформированного твердого сплава изделие разрезали и шлифовали алмазным шлифовальным кругом, после чего полировали алмазной пастой с размером частиц 1 мкм. При проведении исследований, для которых состояние поверхности имело существенное значение, поверхность дополнительно обрабатывали с помощью установки для полировки поперечных сечений, чтобы удалить измененный поверхностный слой.

Для исследования структуры поперечного сечения использовали сканирующий электронный микроскоп, а элементный анализ проводили методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX от energy-dispersive X-ray). Для сравнения размеров зерен WC до и после формирования использовали картины дифракции обратнорассеянных электронов (EBSD от electron backscatter diffraction). Кроме того, для определения наличия или отсутствия W₂C и других веществ, образующихся при разложении WC, проводили рентгеновский дифракционный анализ (XRD от X-ray diffraction) с использованием Co-излучения и фильтра Co K_β. Твердость по Виккерсу определяли на приборе FUTURE-TECH FM-300 при нагрузке 500 гс и времени выдержки 15 секунд.

В некоторых экспериментах температуру измеряли с помощью многосенсорной камеры. Камера оснащена четырьмя сенсорами со встроенными полосовыми фильтрами различных диапазонов длин волн, а внутренняя оптическая система разделяет поступающий через объектив световой поток на четыре канала. Яркость излучения на каждой длине волны преобразуется в температуру с использованием двухцветного метода. Этот метод позволяет измерять температуру без необходимости учитывать коэффициент излучения исследуемого объекта. Для исключения влияния отраженного лазерного излучения температуру измеряли на длинах волн, значительно отличающихся от длины волны лазера. Для измерения температуры использовали длины волн 650 и 850 нм, поскольку среди различных комбинаций длин волн они обеспечивали наименьший уровень шума и наиболее надежные значения температуры. Данное оборудование позволяет измерять температуру до 1800 °C.

Результаты исследования

Влияние способа лазерного облучения

Изображение №4

На 4a представлено изделие из твердого сплава, сформированное в условиях, указанных в столбце (a) таблицы №2, то есть при использовании схемы с опережающим стержнем. В изделии наблюдалось большое количество пор. Кроме того, на отдельных участках изделия образовались трещины. На снимке, полученном в процессе формирования и представленном на 4b, в точке лазерного облучения наблюдались разбрызгивание материала и образование дыма. SEM-снимки поперечного сечения представлены ниже.

Изображение №5

В верхней части сформированного слоя на глубине приблизительно до 1.5 мм наблюдалось большое количество пор. Однако в нижней части сформированного слоя, не подвергавшейся тепловому воздействию лазера, сохранялась мелкозернистая структура WC без дефектов.

Изображение №6

Результаты XRD для верхней части сформированного изделия представлены выше. Помимо пиков WC и Co, наблюдаются пики графита и W₂C, что подтверждает разложение WC. Эти результаты показывают, что даже при использовании лазерного пучка большого диаметра с низкой плотностью энергии разложения WC невозможно избежать, если лазер непосредственно облучает твердосплавный стержень.

Изображение №7

На 7a представлено изделие из твердого сплава, сформированное в условиях, указанных в столбце (b) таблицы №2, то есть при использовании схемы с опережающим лазером. На поверхности наблюдалось большое количество трещин, а форма изделия была нестабильной.

На снимках процесса формирования изделия (7b) наблюдалось большее количество брызг и дыма, чем при использовании схемы с опережающим стержнем. SEM-снимок поперечного сечения представлен ниже.

Изображение №8

Несмотря на интенсивное образование дыма в процессе формирования, в поперечном сечении значительных дефектов не наблюдалось. Хотя в сформированном слое присутствовали отдельные поры, графит, образующийся при разложении WC, не выявлялся. По результатам измерений методом EBSD средний размер зерен WC составлял 1.0 мкм, а в верхней части сформированного слоя наблюдалось некоторое укрупнение зерен WC.

Изображение №9

На 9a представлены результаты измерения твердости по Виккерсу вдоль вертикального направления сформированного изделия из твердого сплава. Даже в верхней части изделия, где при SEM-наблюдении поперечного сечения сохранялась относительно мелкозернистая структура, твердость снижалась до 1000 HV. В целом твердость составляла около 1000 HV и характеризовалась очень большим разбросом значений. Результаты EDX-анализа той же области представлены на 9b. На глубине до 1.5 мм от поверхности сформированного стержня были выявлены только W и Co, а состав соответствовал обычному твердому сплаву. Однако по сравнению с составом до формирования доля Co увеличилась с 16% примерно до 30%, что, предположительно, и привело к снижению твердости. На глубине более 1.5 мм было обнаружено значительное количество Fe, что указывает на то, что чрезмерное расплавление материала основы, вероятно, также повлияло на структуру твердого сплава.

Градиент концентрации Co оказывает существенное влияние на твердость сформированного стержня. Поскольку изменение концентрации Co было очень значительным, маловероятно, что оно было обусловлено диффузией. Более вероятной причиной является массоперенос Co. Исследования массопереноса Co в твердых сплавах проводятся с 1980-х годов, и в исследовании «The migration of metal melts in sintered composite materials» (https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/001793109090016N?via%3Dihub ^[4]) Лисовский назвал это явление миграцией жидкой фазы (LPM от liquid phase migration), отличающейся от обычных капиллярных и диффузионных процессов. Движущей силой этого массопереноса является давление миграции жидкой фазы p_m, возникающее вследствие уменьшения полной межфазной энергии системы, обусловленного различием между межфазными энергиями на границе твердое–твердое (WC–WC) и твердое–жидкое (WC–Co). Изменение свободной энергии Гельмгольца рассматриваемой системы Лисовский выражает следующим образом:

где γ_sl — межфазная энергия на границе твердой и жидкой фаз, γ_ss — межфазная энергия на границе двух твердых фаз, а ΔA_ss — изменение площади контакта между твердыми фазами. Преобразуя приведенное выше уравнение с использованием размера частиц d и объемной доли жидкой фазы u, давление LPM P_m можно рассчитать следующим образом:

где K — коэффициент, зависящий от формы частиц, а g — коэффициент, учитывающий изменение формы частиц при переносе жидкой фазы. Результаты расчетов показывают, что массоперенос Co обусловлен различиями в количестве жидкой фазы и размере частиц WC.

Изображение №10

Предполагается, что массоперенос Co, наблюдавшийся в данном исследовании, был обусловлен LPM. Поскольку различий в размере зерен WC не наблюдалось, массоперенос Co, вероятно, был вызван различиями в доле жидкой фазы и поверхностном натяжении Co. На 10a и 10b представлены соответственно составное изображение, полученное на четырех длинах волн, и температурное изображение, зарегистрированные с помощью многосенсорной камеры при использовании схемы с опережающим лазером. Температура неподвижной части образца находилась вне диапазона измерения оборудования и поэтому не была определена, однако предполагается, что качественное распределение температуры было приблизительно таким же. Результаты измерений выявили значительный перепад температуры между верхней и нижней частями формируемого изделия и показали, что температура в его нижней части была ниже.

Ученые полагают, что в данном исследовании LPM была обусловлена различием поверхностного натяжения, вызванным этим перепадом температуры. Нижняя часть изделия охлаждалась быстрее вследствие теплопроводности в материал основы и поэтому имела более низкую температуру, что приводило к различиям в доле жидкой фазы и поверхностном натяжении Co. В результате происходил массоперенос Co и, вероятно, формировался значительный градиент его концентрации. Предполагается, что градиент концентрации можно уменьшить за счет повышения скорости охлаждения в процессе формирования, однако полностью предотвратить возникновение такого градиента, вероятно, невозможно. Поэтому необходимо принимать дополнительные меры, например использовать твердосплавный стержень с более низким содержанием Co с учетом ожидаемого небольшого снижения твердости.

Приведенные выше результаты экспериментов показывают, что при использовании схемы с опережающим стержнем лазер непосредственно облучает твердосплавный стержень, вследствие чего из-за разложения WC возникает большое количество дефектов. Однако при использовании схемы с опережающим лазером разложения WC не наблюдалось, но твердость снижалась вследствие увеличения концентрации Co. Кроме того, при расплавлении материала основы Fe проникал в изделие из твердого сплава, что приводило к дальнейшему снижению твердости. Таким образом, для получения бездефектного изделия из твердого сплава с более высокой твердостью необходимо подавлять проникновение компонентов материала основы и одновременно снижать мощность лазера при использовании схемы с опережающим стержнем.

Использование промежуточного слоя из сплава на основе Ni при формировании твердого сплава

Изображение №11

Эксперименты по исследованию двух способов лазерного облучения показали, что при использовании схемы с опережающим лазером важно максимально снизить тепловложение от лазера и предотвратить проникновение материала основы в твердый сплав. На 11a представлено сформированное изделие. Хотя в начале участка формирования присутствовала трещина, в его конце трещин не наблюдалось, что указывает на изменение характера процесса в ходе формирования. Снимки, полученные высокоскоростной камерой во время процесса, представлены на 11b. Расплавленный промежуточный слой образовывал галтель в месте контакта с твердосплавным стержнем, благодаря чему лазерный пучок не облучал стержень непосредственно. В области лазерного облучения не наблюдалось ни разбрызгивания, ни образования дыма, а процесс формирования протекал стабильно.

Изображение №12

Поскольку снимки показали различия в характере процесса формирования в начале и в конце изготовления, наблюдения проводили в обеих этих областях. SEM-снимки поперечных сечений в соответствующих положениях представлены на 12a и 12b. В поперечном сечении в начале участка формирования наблюдалась крупная трещина, однако других дефектов в твердосплавной части выявлено не было. Поперечное сечение в начале участка формирования по форме было близко к круглому поперечному сечению исходного твердосплавного стержня, тогда как к концу участка форма поперечного сечения полностью изменилась. В обоих поперечных сечениях структура твердого сплава сохраняла очень мелкие зерна WC даже на глубине 2 мм от верхней поверхности сформированной части.

Изображение №13

На 13a и 13b представлены результаты EDX-анализа распределения Co, W и Ni соответственно в начале и в конце формирования. И в начале, и в конце участка Co концентрировался в нижней части сформированного слоя. Ni, содержащийся в промежуточном слое, в нижней части твердого сплава практически полностью был отделен от области, содержащей W.

Изображение №14

Эти результаты подтверждают, что промежуточный слой из сплава на основе Ni эффективно подавлял взаимодействие с компонентами материала основы и не оказывал существенного влияния на структуру твердого сплава. Результаты XRD, представленные выше, ни в одной из исследованных областей не показали пиков, отличных от пиков WC и Co. Это также подтверждает, в соответствии с результатами SEM и EDX, отсутствие фаз, образующихся вследствие разложения WC, таких как W₂C.

Изображение №15

На 15a представлены результаты измерения твердости по Виккерсу вдоль вертикального направления сформированного изделия. Хотя по сравнению со спеченным состоянием наблюдалось небольшое снижение твердости, сформированное изделие сохраняло очень высокую твердость — приблизительно 1400 HV. Твердость снижалась по мере увеличения глубины, однако оставалась высокой вплоть до глубины около 2 мм. Предполагается, что это снижение твердости связано с изменением средней длины свободного пути в структуре WC–Co вследствие увеличения концентрации Co. Однако градиент концентрации Co был меньше, чем в изделии, сформированном непосредственно на материале основы без промежуточного слоя из сплава на основе Ni при использовании схемы с опережающим лазером, благодаря чему снижение твердости сформированного изделия удалось уменьшить. На 15b представлен размер зерен WC вдоль вертикального направления сформированного изделия, измеренный методом EBSD. По сравнению с исходным размером зерен после спекания наблюдалось их укрупнение, однако даже на глубине 2 мм размер зерен составлял около 0.85 мкм, то есть мелкозернистая структура WC сохранялась. Такая же тенденция наблюдалась как в начале, так и в конце участка формирования.

Изображение №16

В начале и в конце процесса формирования наблюдались различия в форме сформированного изделия. Поскольку различий в размере зерен WC между началом и концом процесса не наблюдалось, методом EBSD был проведен анализ фазы Co. На 16a, 16b и 16c представлены карты обратных полюсных фигур (IPF от inverse pole figure) и распределения кристаллографических ориентаций для твердосплавного стержня, начала участка формирования и конца участка формирования соответственно. В твердом сплаве после спекания размер зерен фазы Co был большим. При масштабе, использованном для анализа, вся исследуемая область соответствовала одному кристаллическому зерну. Однако в начале участка формирования ориентации были сосредоточены вблизи определенного кристаллографического направления. Напротив, в конце участка формирования отчетливо наблюдались несколько отдельных кристаллических зерен.

На основании этих результатов можно предположить, что в начале формирования фаза Co расплавлялась не полностью и после формирования кристаллическая структура в некоторой степени сохраняла исходную кристаллографическую ориентацию. Однако в конце участка формирования фаза Co расплавлялась полностью и, по-видимому, в результате последующих плавления и затвердевания формировалась новая кристаллическая структура.

Приведенные выше результаты показывают, что введение промежуточного слоя из сплава на основе Ni и использование схемы с опережающим лазером позволяют подавить разложение WC, которого не удается избежать при традиционных способах формирования, и успешно получать изделия из твердого сплава с твердостью, практически эквивалентной твердости спеченных материалов. Однако, поскольку в начале участка формирования наблюдались дефекты, очевидно, что процесс необходимо проводить при температуре стержня, превышающей температуру полного расплавления фазы Co, но остающейся ниже температуры, при которой начинается рост зерен WC. Различие в характере процесса в начале и в конце формирования, по-видимому, обусловлено повышением температуры к концу процесса вследствие накопления тепла в промежуточном слое и материале основы при низкой скорости формирования. Возникновение дефектов можно подавить за счет контроля температуры на конце стержня и соответствующего регулирования тока горячей проволоки и мощности лазера. Такая оптимизация процесса позволяет формировать изделие без изменения размера зерен WC и соотношения WC:Co исходного спеченного твердосплавного стержня. Кроме того, изменяя свойства твердосплавного стержня, используемого для формирования, можно соответствующим образом регулировать и характеристики сформированного изделия.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых ^[5].

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые создали метод лазерной 3d-печати, которая использует в качестве «чернил» сплав WC–Co.

Сплавы WC–Co ценятся за исключительно высокую твердость и износостойкость, однако именно эти свойства делают их сложными и дорогими в обработке. Традиционное производство методом порошковой металлургии требует значительного количества дорогостоящих вольфрама и кобальта, поэтому снижение расхода материала остается важной задачей.

Авторы исследования показали, что перспективной альтернативой может стать аддитивное производство, при котором твердый сплав формируется только там, где он действительно необходим. Для этого они использовали метод с лазерным нагревом и предварительно нагретым твердосплавным стержнем, стремясь не полностью расплавлять материал, а лишь доводить его до состояния, пригодного для формирования.

Эксперименты показали, что прямое воздействие лазера на стержень приводит к разложению WC и появлению дефектов. Более эффективной оказалась схема с опережающим лазером, особенно после введения промежуточного слоя из сплава на основе Ni. Такой слой ограничивал взаимодействие твердого сплава с материалом основы и позволял снизить тепловую нагрузку. После оптимизации процесса ученым удалось получить твердый сплав без заметного разложения WC и с твердостью около 1400 HV, то есть практически на уровне исходного спеченного материала. При этом ключевым условием оказался точный контроль температуры: она должна быть достаточно высокой для полного расплавления связующей фазы Co, но оставаться ниже уровня, при котором начинается рост зерен WC.

Полученные результаты показывают, что формирование особо твердых материалов путем контролируемого размягчения, а не полного плавления, может стать основой для более экономичного аддитивного производства. В перспективе такой подход позволит наносить дорогостоящий твердый сплав только на функционально необходимые участки изделия, сокращая расход материала и стоимость производства без существенной потери его эксплуатационных свойств.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99 ^[6], уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? ^[7] (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! ^[8] Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки? ^[9]