Kaip japonai 3D spausdina vieną kiečiausių metalų: volframo karbido (WC‑Co) iššūkis įveiktas

Hirošimos universiteto mokslininkų ir Mitsubishi Materials inžinierių komanda pristatė adityvinio gaminimo metodą, leidžiantį 3D spausdinti sudėtingos geometrijos detales iš cementuoto volframo karbido su kobaltu (WC‑Co), vieno kietžiausių pramonėje naudojamų lydinių.

Metodikos esmė

Tyrėjai taikė vadinamąjį „hot‑wire“ lazerinio apšvietimo metodą: vietoj tradicinio selektyvaus lazerinio sintravimo, kuriame medžiaga pilnai ištirpsta, čia šiluma tik suminkština medžiagą be pereigos į skystąją fazę. Šis principas reikšmingai sumažina termišką volframo karbido struktūros degradaciją ir sumažina sluoksniavimo metu atsirandančių defektų riziką, pavyzdžiui, mikroįtrūkimų ir perdegimų.

Techniniai sprendimai ir eksperimentai

Komanda išbandė dvi lazerio padėties strategijas prie tiekimo strypo. Tiesioginis lazerio apšvietimas viršutinėje srityje leido nustatyti karbidų dekofmpoziciją, todėl sprendimu tapo nikelio tarpinis sluoksnis ir preciziškas temperatūros valdymas. Procesas palaikomas aukščiau kobalto lydymosi temperatūros, bet žemiau ribos, kur prasideda aktyvus volframo karbido grūdų augimas; taip išsaugoma jungties tvirtumas ir ribojama struktūrinė degradacija.

Gauti rezultatai

Pagaminti bandiniai parodė mechanines savybes, palyginamas su pramoniniais etalonais, gautais aukšto slėgio sinterizacijos (HIP) metodu. Adityvus spausdinimas leido taikyti medžiagą tik ten, kur reikia — pjaunančioms briaunoms ir kitoms kritinėms zonoms — taip ženkliai taupant brangią žaliavą ir mažinant parengiamųjų operacijų kiekį.

Svarbiausi techniniai atradimai

• Medžiaga: cementuotas volframo karbidas su kobaltu (WC‑Co), kietumas > 1400 HV;
• Metodas: hot‑wire lazerinis apšvietimas be visiško ištirpimo, mažinantis termišką degradaciją;
• Problema: tiesioginis lazerio apšvietimas gali sukelti karbidų degradaciją ir defektus;
• Sprendimas: nikelio tarpinis sluoksnis ir temperatūros kontrolė virš kobalto lydymosi, bet žemiau grūdų augimo ribos.

Šis metodas atveria galimybes gaminti itin tvirtus, sudėtingos formos pjovimo įrankius ir kitus darbo detalių komponentus su mažesniais medžiagų nuostoliais nei tradicinė pulverinė metalurgija. Tokių gamybos sprendimų nauda yra ypač aktuali automobilių, aviacijos bei sunkiųjų įrankių pramonės sektoriuose.

Ateityje komanda planuoja optimizuoti procesą serijinei gamybai, toliau mažinti mikroįtrūkimų riziką spausdinant sudėtingas formas ir integruoti procedūrą į plataus masto gamybos linijas; tyrimai vykdomi Hirošimos universiteto ir Mitsubishi Materials laboratorijose, o rezultatai rodo realias pramoninės integracijos perspektyvas.