工业界最硬工程材料之一，创新3D打印方法被找到

碳化钨-钴（WC-Co）凭借其卓越的硬度与耐磨性被广泛用于制造工业上的切削工具、钻探设备、耐磨部件。然而，正是由于这种材料在硬度和耐磨性上的优异性能，为加工带来了巨大挑战。

目前主流WC-Co部件制造工艺是粉末冶金，即通过将WC与Co粉末混合，经高压成型与高温烧结进行制备。通过这一工艺虽然可得到组织致密、性能优良的制品，但在制备大尺寸或复杂结构零件时，材料利用率低、工序复杂、成本居高不下，尤其是在仅局部需要高耐磨性的应用中（如机械加工刀具刃口），整体使用硬质合金会造成严重的材料浪费。因此，开发一种经济高效的新型成形技术势在必行。

根据3D科学谷的市场观察，日本广岛大学与三菱材料硬质合金公司的研究团队提出一种结合增材制造（3D打印）技术与热丝激光辐照工艺的WC-Co材料制造新方法，旨在实现WC-Co材料的近净成形，在保证其核心性能的同时，大幅降低材料损耗与制造成本。

相关成果已在线发表于《International Journal of Refractory Metals and Hard Materials》期刊。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104958

研究方法与工艺设计

这项研究创新性地采用热丝激光辐照增材制造技术，系统探究了两种不同的激光与材料交互策略：

棒材引导法

激光光斑（2.3 mm × 3.0 mm）直接辐照于硬质合金棒材顶端，棒材的进给方向主导成形路径。此方法中，激光热量同时作用于棒材与已沉积的基体。

激光引导法

激光引导法示意图，来源：Hiroshima University

采用较小直径（φ2.0 mm）的激光光斑，聚焦于硬质合金棒材底部与基材（本研究中为铁）之间的区域。激光扫描路径先行，熔化局部基材形成熔池，随后软化的棒材被送入其中进行沉积。

3D科学谷了解到，两种工艺路线的核心共同点都是通过精确的热输入控制实现材料的“软化”而非“完全熔化”。这一机制旨在保留原始棒材中精细的WC晶粒结构，避免因过热导致的晶粒长大、WC分解（生成脆性W2C相）等缺陷。

为实现高效、可控的软化，研究引入了热丝预热技术：在激光辐照前，通过脉冲电流（频率100 Hz，占空比50%）对直径为2.7mm的硬质合金棒材进行电阻预热，使其温度接近但低于完全熔化的状态。这种方式显著降低了成形所需的激光能量输入，提升了材料沉积效率与过程稳定性。整个成形过程在氩气保护（流量30L/min）下进行，以防止高温氧化。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

关键创新与技术突破

针对激光引导法在直接沉积时出现的界面结合与成分稀释问题，研究团队提出了引入镍基合金作为中间层的优化方案。该中间层采用相同的热丝激光工艺预先制备于钢基体上，厚度约2mm，热影响区窄，实现了与基体的良好冶金结合。随后，硬质合金在中间层上进行沉积。这一设计有效阻隔了铁基体元素对硬质合金组织的负面影响，并提供了更好的润湿性与应力缓冲。通过采用更大的矩形激光光斑（1.6 mm× 6.0 mm）并优化工艺参数（如表2中方案c所示），成功实现了硬质合金在中间层上的高质量沉积。

采用激光引导法并嵌入镍基合金中间层制备的硬质合金模具成型末期扫描电镜图像

来源：Hiroshima University

根据3D科学谷的市场观察，硬质合金是制造机械加工刀具的重要材料，但是原料成本极高。以上研究团队所采用的增材制造技术，可实现仅在真正需要的部位沉积昂贵的硬质合金材料，这为实现资源节约和成本控制提供了新途径。

实验结果与性能表征

研究团队通过微观结构分析（SEM）、成分分析（EDX）、物相鉴定（XRD）及晶体取向分析（EBSD），研究团队对成形件进行了系统评价。结果表明：

采用优化的“激光引导法+镍基合金中间层”工艺，成功制备出了无明显孔隙、裂纹及WC分解产物（如W2C） 的WC-Co沉积体。

沉积体保持了原始棒材的细晶组织，维氏硬度稳定超过1400 HV，这一数值接近传统粉末冶金产品的水平，仅次于金刚石、立方氮化硼等超硬材料。

相比之下，“棒材引导法”因激光直接长时间辐照棒材顶部，导致局部过热，引发了WC的分解与组织劣化。

研究团队同时利用高速摄像与多光谱测温技术，实时监测并控制了熔池动态与温度场，确保热输入精确处于钴粘结相熔化而WC晶粒不发生显著长大的窗口区间。

硬质合金刀具 来源：Getty Images

技术展望与未来方向

这项研究验证了基于“软化沉积”理念的热丝激光增材制造技术用于高性能WC-Co硬质合金成形的可行性，为复杂结构硬质合金部件的制备开辟了新路径。当前研究仍面临如大型构件中热应力导致的微裂纹等挑战。

研究团队提出，未来将聚焦于开展以下工作：

1.工艺优化：进一步研究热循环控制、路径规划与后热处理，以彻底消除残余应力与裂纹。

2.复杂成形：拓展该技术对于具有内流道、多孔结构或梯度功能的复杂三维构件的制造能力。

3.材料体系扩展：将该“软化增材”理念应用于其他难熔金属、金属陶瓷或高性能合金体系。

4.应用验证：直接制造功能性切削刀具或耐磨部件，并进行实地工况测试。

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投稿丨daisylinzhu 微信

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