中南大学顶刊ESI高被引论文：WC-Co硬质合金增材制造工艺、显微组织及力学性能

引用本文：Cai Chen, Boyun Huang, Zuming Liu, Yongxia Li, Dan Zou, Tao Liu, Yiming Chang, Lei Chen, Additive manufacturing of WC-Co cemented carbides: Process, microstructure, and mechanical properties. Additive Manufacturing 63(2023)103410; https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103410

摘要：硬质合金广泛应用于航空航天、资源开采、装备制造、轨道交通和电子信息等产业，被誉为“工业的牙齿”。增材制造技术（AM）为制备硬质合金形状复杂零件提供了一条新途径。论文综述了WC-Co硬质合金增材制造技术的研究进展，系统介绍了包括选区激光烧结、选区激光熔化和选区电子束熔化等基于热成形的粉末床熔融（Powder Bed Fusion，PBF）增材制造技术，以及包括黏结剂喷射增材制造-脱脂烧结、熔融沉积成形-脱脂烧结和3D凝胶打印-脱脂烧结等基于生坯冷成形和脱脂烧结工艺的生坯成形脱脂烧结（Forming–debinding–sintering，FDS）增材制造技术，也称为生坯增材制造-脱脂烧结（Green additive manufacturing–debinding–sintering，GAM-DS）等两种技术路线，分析了两种增材制造技术路线制备WC-Co硬质合金的致密化机理、冶金缺陷、微观结构演变和力学性能的关键影响因素，对WC-Co硬质合金增材制造技术面临的主要挑战及下一步的发展重点进行了展望。论文总结指出PBF增材制造WC-Co硬质合金需要解决开裂、孔隙、有害相，以及相对密度较低等关键问题；FDS技术充分结合了增材制造和粉末冶金工艺的优势，在解决PBF增材制造技术难以消除的开裂、孔隙和有害相等方面具有独特的优势，可制备高相对密度、显微组织均匀的高性能WC-Co硬质合金，是具有较大潜力的硬质合金复杂形状零件制备技术。

关键词：WC-Co cemented carbide; Additive manufacturing; Powder bed fusion; Forming–debinding–sintering; Microstructure and mechanical properties

图片精选：

图1 增材制造WC-Co硬质合金零件

图2 PBF技术制备的WC-Co硬质合金的显微组织：（a），（b），（c），（d）SLM工艺；（e），（f）SEBM工艺。

图3 FDS技术制备的WC-Co硬质合金的显微组织：（a），（b），（c）黏结剂喷射增材制造-脱脂烧结工艺；（d）挤出增材制造-脱脂烧结工艺；（e）凝胶3D打印-脱脂烧结工艺。

结论与展望：

增材制造在制备高性能WC-Co硬质合金复杂结构零件方面具有广阔的发展前景，大大拓展了硬质合金的应用领域。目前，PBF技术已实现了相对密度达98.8%的WC-Co硬质合金零件的直接制备。但是，孔隙、开裂现象和控制脆性相是PBF技术需要解决的关键问题。FDS（GAM-DS）将生坯3D打印技术与粉末冶金脱脂烧结技术相结合，可以使用与粉末冶金工艺类似原料粉末制备喂料，制备近全致密、无裂纹的WC-Co硬质合金零件，但存在喂料制备体系复杂，工艺流程较长，易产生脱脂碳残留形成游离C相等挑战。综合解决上述问题，需要进一步研究PBF技术加工硬质合金的熔体凝固机理和残余应力形成及变形机理，通过成分设计、工艺改进、策略优化等措施消除打印件中的孔隙、裂纹、脆性相等缺陷；持续开展硬质合金FDS（GAM-DS）技术的原料(粘结剂)体系，生坯打印、脱脂和烧结工艺等全工艺链研究，以推动该技术成为制备相对密度高，显微组织和力学性能与粉末冶金相似，形状复杂硬质合金的高效技术途径。

作者简介：

黄伯云：中南大学教授，中国工程院院士，发展中国家科学院院士，“十五”国家863计划新材料领域专家委员会主任，中国材料研究学会荣誉理事长。主要从事先进材料研究，为国家大飞机工程和航空航天装备提供了多种高性能关键材料，培养了一批包括长江学者、杰出青年和上市公司董事长在内的创新领军人才；领导创建了轻质高强材料国防科技重点实验室、粉末冶金国家工程研究中心、国家炭/炭复合材料工程技术研究中心和有色金属先进结构材料与制造协同创新中心（2011计划）等创新平台；获得国家技术发明一等奖等国家科技成果奖4项，国家教学成果奖二等奖2项。

刘祖铭：中南大学教授，博士生导师，粉末冶金国家工程研究中心副主任，粉末冶金结构材料研究所所长。主要从事粉末冶金结构材料、轻质高强结构材料和飞机结构与材料损伤及控制技术等方面的研究，在Applied Physics Letters和中国有色金属学报等国内外著名刊物发表论文、撰写型号技术文件100多篇/份，出版专著5部，起草航空工业标准1项，申请/授权国家发明专利70多项、PCT/美国发明专利13项，获省部级科技成果奖4项。

陈才：中南大学粉末冶金国家重点实验室博士生，稀土功能材料湖南省重点实验室副主任，主要从事基于增材制造(3D打印)的高性能硬质合金及金属陶瓷的设计、制备技术研究。

李詠侠：博士，中南大学和湖南博云东方粉末冶金有限公司高级工程师，中国模具工业协会模具材料专家委员会副主任委员，全国超硬材料专家技术委员会委员，主要从事高性能硬质合金制备技术开发研究，获得省部级一等奖等科技成果奖5项。

邹丹：湖南博云东方粉末冶金有限公司高级工程师，主要从事高性能硬质合金制备技术研究，获得省部级一等奖等科技成果奖2项。

常逸鸣：湖南博云东方粉末冶金有限公司高级工程师，主要从事高性能硬质合金研究。

刘涛：中南大学粉末冶金国家重点实验室博士生，主要从事粉末冶金结构材料设计及制备技术研究。

陈雷：中南大学粉末冶金国家重点实验室硕士生，主要从事粉末冶金结构材料设计及技术开发研究。

来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队供稿支持。