Волфрамовият карбид, примесен с кобалт (WC-Co) се цени заради способността си да издържа на интензивно износване, налягане и многократна употреба. Тази изключителна твърдост го прави идеален за промишлени инструменти, но в същото време създава сериозни производствени проблеми. Материалът е труден за формоване, производството му е скъпо и често се изисква повече суровина, отколкото в крайна сметка се използва в готовия продукт.

В тази връзка изследователи изпробваха нов метод за производство на твърдата сплав с технология за 3D печат. Техният подход може да намали отпадъците и производствените разходи, като същевременно запази якостта и твърдостта, които правят материала толкова полезен.

Защо волфрамовият карбид е толкова ценен?

Твърдите сплави от WC-Co се използват широко в приложения, изискващи изключителна твърдост и износоустойчивост, включително режещи инструменти, свредла, оборудване за обработка и строителни инструменти. Материалът съчетава волфрамов карбид, осигуряващ твърдост с кобалт, който действа като метална свързваща среда, задържаща частиците карбид заедно. Понастоящем производителите получават тези материали предимно чрез метода на праховата металургия. При този процес финият прах от волфрамов карбид и кобалт се пресоват под високо налягане и се нагряват в пещи за синтез. Синтезът свързва частиците помежду им при повишени температури, без непременно да се разтопява напълно всеки компонент.

Методът осигурява изключително здрави детайли, но има и недостатъци. Волфрамовият карбид и кобалтът са скъпи суровини, а традиционното производство може да изисква голямо количество материал при относително ограничен добив. Това прави намаляването на отпадъците особено важно. Изследователите проучиха дали адитивното производство може да се превърне в по-ефективна алтернатива. За разлика от традиционните методи, при които детайлът се формира чрез отстраняване на материал или запълване на форма, адитивното производство създава обекта, като нанася материал само там, където е необходимо.

Лазерът и нагрятата тел създават карбид

Екипът използва лазерно облъчване с нагрята тел (наричано още лазерно заваряване с нагрята тел) – процес, съчетаващ лазерен лъч с предварително нагрята присадочна тел. Нагряването на телта преди тя да достигне работната повърхност позволява добавянето на материал по-бързо и по-ефективно. Това може да увеличи скоростта на отлагане (количеството добавен присаден метал), като същевременно намалява необходимата енергия от лазера.

Изследователите тестваха два метода на производство. При първия лазерът беше насочен към горната част на пръта от твърда сплав, като прътът беше разположен пред посоката, в която се изграждаше материалът. При втория метод лазерът ръководеше процеса и облъчваше зоната между долната част на пръта от твърда сплав и основния материал (желязо). Вместо пълно разтопяване на металите и двата метода ги омекотяваха до степен, достатъчна за формиране и отлагане на твърда сплав. Тази разлика е важна, тъй като пълното разтопяване на волфрамовия карбид може да промени вътрешната му структура и да влоши свойствата, които го правят ценен.

Експериментите показаха, че този подход позволява да се запазят твърдостта и механичната цялост, характерни за традиционно произвеждания WC-Co. Изследователите получиха материал с твърдост над 1400 HV (единица съпротивление на проникване) без дефекти и разпадане. Измерването в HV се отнася до твърдостта по Викерс – тест, който оценява доколко силно материалът се съпротивлява на втискане с твърд накрайник. Стойност над 1400 HV поставя получения карбид сред най-здравите материали, обичайно използвани в промишлеността, като отстъпва само на свръхтвърди вещества като сапфир и диамант.

Резултатите показват, че адитивното производство може да създава форми от твърда сплав без сериозни дефекти, въпреки че резултатите варираха в зависимост от схемата на производство.