Метод способен значительно сократить расход дорогостоящего сырья и снизить затраты на производство режущих инструментов, сверл и другого оборудования, при этом сохраняя исключительную прочность материала.
Сверхпрочный сплав на основе карбида вольфрама и кобальта (WC–Co) является одним из основных материалов современной промышленности. Из него производят концевые фрезы, сверла, резцы, штампы и строительный инструмент: он выдерживает огромный износ, давление и многократные удары. Однако за эту «неубиваемость» необходимо платить высокую цену: детали из WC–Co сложно формировать, а значительная часть дорогого материала при традиционной обработке оказывается в отходах.
Группа специалистов из Университета Хиросимы в Японии предложила альтернативный метод создания деталей из сверхтвердых сплавов с применением аддитивного производства — фактически, с использованием промышленной 3D‑печати. Их задача — сократить расход WC–Co и стоимость деталей, не теряя при этом в твердости и надежности.
В настоящее время цементированные карбиды в основном производятся методами порошковой металлургии: мелкие порошки WC и Co прессуют под высоким давлением и спекают при высокой температуре. В результате получаются исключительно прочные изделия, однако процесс недостаточно эффективен с точки зрения расхода материала и не подходит для создания деталей определенной формы. Аддитивные технологии функционируют совершенно иным образом: деталь «наращивается» слой за слоем, добавляя материал только там, где он необходим, что особенно важно, когда речь идет о дорогих элементах.
Исследователи применили метод лазерного наплавления с подогретой проволокой (hot-wire laser irradiation). Лазерный луч взаимодействует с предварительно разогретой присадочной проволокой WC–Co: благодаря предварительному нагреву проволоки возможно быстрее и экономнее наплавлять металл, уменьшая потребляемую мощность лазера. При этом авторы намеренно избегали полного расплавления карбида вольфрама: слишком высокая температура изменяет структуру сплава и ухудшает его характеристики. В их схемах металл лишь размягчался до состояния, при котором возможно формирование и осаждение сплава.
Авторы изучили два варианта процесса. В первом лазер направлялся на верхнюю часть стержня из твердого сплава, который находился впереди по ходу наплавки. Во втором — лазер «двигался впереди» и облучал зону между нижним концом стержня и основанием из железа. Выяснилось, что детали можно формировать без расплавления всего объема WC и при этом достигать твердости основы выше 1400 HV по Виккерсу — уровня, сопоставимого с промышленными твердыми сплавами, превзойти который могут лишь сапфир и алмаз.
Твердые сплавы — это крайне жесткие материалы для режущих кромок и аналогичных применений, но они изготавливаются из очень дорогих сырьевых компонентов, таких как вольфрам и кобальт, поэтому сокращение их расхода имеет огромное значение. Используя аддитивное производство, можно наносить сплав только там, где он необходим, снижая потребление материала.
Фото: hi-tech.mail.ru