Ученые напечатали на 3D-принтере один из самых твердых металлов на Земле

Метод может существенно снизить расход дорогостоящего сырья и затраты на изготовление режущих инструментов, сверл и другого оборудования, сохраняя при этом исключительную прочность материала.

Светлана ЛевченкоАвтор новостей

Сверхпрочный сплав на основе карбида вольфрама и кобальта (WC–Co) — один из ключевых материалов современной промышленности. Из него делают концевые фрезы, сверла, резцы, штампы и строительный инструмент: он выдерживает колоссальный износ, давление и многократные удары. Но за эту «неубиваемость» приходится дорого платить: детали из WC–Co трудно формовать, а значительная часть крайне дорогого материала при традиционной обработке уходит в отходы.

Группа специалистов Университета Хиросимы в Японии предложила альтернативный способ изготовления деталей из сверхтвердых сплавов с помощью аддитивного производства — по сути, методом промышленной 3D‑печати. Их цель — снизить расход WC–Co и стоимость деталей, не потеряв при этом в твердости и надежности.

Сейчас цементированные карбиды в основном получают методами порошковой металлургии: тонкие порошки WC и Co прессуют под большим давлением и спекают при высокой температуре. Получаются чрезвычайно прочные изделия, но процесс малоэффективен в отношении расхода материала и не подходит для изготовления деталей определенной формы. Аддитивные технологии работают принципиально иначе: деталь «наращивают» слой за слоем, добавляя материал только там, где он нужен, что особенно важно, когда речь идет о дорогих элементах.

Ученые использовали так называемое лазерное наплавление с подогретой проволокой (hot-wire laser irradiation). Лазерный луч работает вместе с заранее разогретой присадочной проволокой WC–Co: за счет предварительного подогрева проволоки можно быстрее и экономичнее наплавлять металл, уменьшая потребную мощность лазера. При этом авторы сознательно избегали полного расплавления карбида вольфрама: слишком высокие температуры меняют структуру сплава и ухудшают его свойства. В их схемах металл лишь размягчался до состояния, когда возможно формирование и осаждение сплава.

Авторы проанализировали два варианта процесса. В первом лазер светил по верхней части стержня из твердого сплава, который располагался впереди по ходу наплавки. Во втором — лазер «шел впереди» и облучал зону между нижним концом стержня и основанием из железа. Оказалось, что детали можно формировать без расплавления всего объема WC и при этом получать твердость основы выше 1400 HV по Виккерсу — уровень, сопоставимый с промышленными твердыми сплавами, выше которого только сапфир и алмаз.

Твердые сплавы — крайне жесткие материалы для режущих кромок и аналогичных применений, но они делают­ся из очень дорогих сырьевых компонентов, таких как вольфрам и кобальт, поэтому сокращение их расхода крайне важно. Используя аддитивное производство, можно наносить сплав только там, где он нужен, уменьшая потребление материала.Кэйта Марумотонаучный сотрудник Университета Хиросимы, руководитель работы

Не все варианты оказались одинаково удачными. При первой схеме, где стержень «шел впереди», в верхней части наплавленного слоя часть WC разлагалась, формируя дефекты. Схема с «ведущим» лазером позволила избежать части проблем, но поначалу ученым не удавалось стабильно сохранять высокую твердость. Авторы работу решили эту задачу, введя промежуточный слой на основе никелевого сплава и жестко контролируя температуру: она должна была быть выше точки плавления кобальта, но ниже порога активного роста зерен. Крупнокристаллическая структура сплава ухудшила бы механические свойства готовой детали.

После такой оптимизации ученым удалось наплавлять WC–Co без заметного падения твердости и без серьезных дефектов в структуре. Пока это лишь основа для дальнейших разработок: специалистам еще только предстоит уменьшить склонность к растрескиванию, повысить долговечность и освоить более сложные геометрии деталей.

«Подход, при котором металл формируют, размягчая, но не полностью расплавляя его, — по‑настоящему инновационный, и его можно распространить не только на твердые сплавы, но и на другие материалы», отмечает Марумото. Если метод удастся довести до промышленного уровня, производители смогут наносить дорогой карбид только на режущие и наиболее нагруженные зоны инструмента. Это сделает сверхтвердые детали более экономичными в производстве и, соответственно, более доступными, при сохранении их ключевого преимущества — исключительной износостойкости.

Ранее ученые сделали гибким и очень прочным известный своей хрупкостью сплав.

3D-печатьПоделиться