碳鎢合金（俗稱硬質(zhì)合金）是現(xiàn)代工業(yè)的基石，廣泛應用于金屬切割、混凝土鉆探及巖石開采等高強度刀具領(lǐng)域。這種材料極高的硬度也成為了制造上的“緊箍咒”：一旦成型，其極強的抗變形能力使得后續(xù)加工變得異常緩慢且損耗巨大，導致生產(chǎn)成本居高不下。

這種困境在磨損嚴重或重載負荷的加工場景中尤為突出。目前，業(yè)界主要采用粉末冶金法，即通過高壓和高溫將碳化鎢和鈷粉末壓制并燒結(jié)。

這種傳統(tǒng)工藝的弊端在于效率低下，往往需要消耗遠超最終零件所需的昂貴原材料，且成品率難以進一步提升。近期，一項發(fā)表在《國際難熔金屬與硬質(zhì)合金期刊》上的研究提出了一種新路徑：將增材制造（即3D打印）與熱絲激光照射技術(shù)相結(jié)合，力求在保持性能的前提下，實現(xiàn)硬質(zhì)合金的按需精準沉積，從而大幅降低材料浪費與成本。

研究人員嘗試改變將硬質(zhì)合金視為“減材加工”對象的傳統(tǒng)思維，探索能否利用增材制造技術(shù)進行選擇性構(gòu)建。他們選用的核心工具是“熱絲激光照射技術(shù)”（又稱激光熱絲焊接），其原理是將激光束與預熱后的填充焊絲相結(jié)合。通過預熱焊絲，不僅能顯著提高金屬沉積速率，還能減少激光在沉積過程中所需提供的能量，從而提升整體工藝效率。

研究團隊評估了兩種應用方案。第一種是“焊絲引導法”，即硬質(zhì)合金棒位于前方移動，激光照射其頂部；第二種是“激光引導法”，激光先行照射硬質(zhì)合金棒底部與鐵基基材之間的區(qū)域。在兩種設(shè)定中，研究人員都選擇將金屬軟化而非完全熔化。這一策略旨在形成硬質(zhì)合金的同時，盡量規(guī)避極端熱環(huán)境對這類硬脆材料造成的結(jié)構(gòu)損傷。

廣島大學先進科學與工程研究生院助理教授丸本啟太表示：“硬質(zhì)合金極度堅硬，雖然是制造切削刀具的理想材料，但其原材料鎢和鈷價格昂貴。通過增材制造技術(shù)，我們可以僅在必要部位沉積材料，從而有效節(jié)約成本?！?/p>

實驗結(jié)果證明，該方法能有效保持傳統(tǒng)工藝制造的WC-Co硬質(zhì)合金的硬度與機械完整性。研究團隊成功制備出硬度超過1400 HV（維氏硬度）且無缺陷、無分解的基材。這種硬度水平在工業(yè)領(lǐng)域?qū)儆陧敿庑辛?，僅次于藍寶石和金剛石等超硬物質(zhì)。

盡管研究證實了無缺陷成型的可能性，但在具體路徑上仍存在差異。例如，“焊絲引導法”會導致堆疊件上部的碳化鎢發(fā)生分解，從而產(chǎn)生產(chǎn)品缺陷；而早期的“激光引導法”在維持硬度方面也面臨挑戰(zhàn)。

為解決這一問題，研究團隊引入了鎳基合金中間層，并嚴格監(jiān)控工藝溫度（使其高于鈷的熔點但低于晶粒生長溫度）。最終，通過增材制造產(chǎn)出的硬質(zhì)合金在不犧牲材料硬度的前提下，成功實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

這一階段性成果為后續(xù)研究提供了跳板。研究人員計劃進一步攻克材料開裂問題，并嘗試構(gòu)建更復雜的幾何形狀。

丸本啟太指出：“通過軟化而非完全熔化來成型金屬材料的方法極具創(chuàng)新性。它不僅適用于本研究關(guān)注的硬質(zhì)合金，還具有推廣至其他材料領(lǐng)域的潛力?！?/p>

展望未來，如何將該技術(shù)應用于成品切削刀具的直接制造、探索更多適配材料以及進一步提升耐用性，將是該研究團隊的核心課題。