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WC-Co硬质合金由坚硬的难熔金属WC和金属粘结Co制成,与其他大多数金属材料相比,由于其高硬度、高耐磨性和耐腐蚀性,被广泛应用于切削刀具、钻井工具、测量和耐磨零件。WC-Co硬质合金通常是由传统粉末冶金方法制备。随着产品复杂性的不断增加,上述成型方法已不能满足工业要求。选区激光熔化(SLM)工艺不仅可以高效制备任何复杂形状的硬质合金,而且可以节省模具加工和后处理的时间和成本。

在SLM过程中,快速熔化和凝固带来了比粉末冶金更大的温度梯度。因此WC-Co硬质合金在成形过程中会容易产生较大热应力,在样品中形成裂纹、孔洞等缺陷。此外,由于WC与粘结相Co熔点差异较大,在相对较高的激光能量输入下,Co相会蒸发,从而破坏材料韧性。然而,在较低的激光能量输入下,WC相不能完全熔化。近年来的研究主要集中在SLM制备WC-Co硬质合金的硬度、耐磨性和抗压强度方面。横向断裂强度(TRS)很少被研究,因此这项研究主要采用不同SLM扫描速度制备WC-Co硬质合金。研究了扫描速度对WC显微组织和性能(密度、硬度、TRS、耐磨性)的影响。

中北大学材料科学与工程学院李晓峰等人利用选区激光熔化(SLM)制备了WC-12Co硬质合金。研究了激光参数对WC-12Co硬质合金显微组织、力学性能和摩擦磨损性能的影响。相关研究成果以“Study on the microstructure and properties of WC-12Co cemented carbide fabricated by selective laser melting”为题,发表在材料科学领域期刊《Journal of Materials Research and Technology-JMR&T》(中科院1区Top期刊)。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.08.082

WC-12Co硬质合金粉末的SEM图像(a)和粒度分布(b)

不同扫描速度制备WC-12Co硬质合金样品的纵截面图像及粒径分布:(a,b) 380 mm/s;(c,d) 400 mm/s;(e,f) 420 mm/s;(g,h) 440 mm/s;(i,j) 460 mm/s

扫描速度为400mm /s时WC-12Co硬质合金的孔隙分布

(a)扫描速度对SLM制备样品硬度/和强度的影响;(b)扫描速度为400 mm/s时制备样品断口形貌

摩擦温度WC-12Co硬质合金样品质量损失(a)和摩擦系数(b)的影响

研 究结果表明在SLM过程中,微观组织中形成η相,WC-12Co在制备过程中发生碳损失。 WC平均晶粒尺寸随扫描速度的提高而增大,在1.5-2.5μm范围内波动。 WC平均晶粒尺寸较小与SLM温度分布不均匀导致的WC晶粒层状结构有关。 同时激光扫描速度严重影响SLM制备硬质合金微观组织特征,所有SLM制备的 WC-12Co 硬质合金中存在粗(粗晶区域用CGR表示)和细WC晶粒(细晶区域由FGR表示)交替层的层状结构。 由于SLM打印过程中熔池中心温度不均匀(热梯度的存在)导致同一个样品中WC平均晶粒尺寸差异很大,最大的WC晶粒尺寸可以达到16.65μm,而最小WC晶粒尺寸仅有0.5μm,并且Co元素在熔化过程发生了蒸发现象。 最后分析了硬度、断裂强度与扫描速度的关系。 当扫描速度为400mm/s时,样品的综合性能最佳,硬度为81HRA, 断裂强度为650MPa。 对工艺优化后的材料进行了高温摩擦磨损性能测试,在室温下摩擦系数约为0.2,在200-600℃下的摩擦系数为0.5-0.7。

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