碳化钨-钴（WC–Co）是众多锋利且耐用的工具刃口的幕后功臣，这些刃口能够轻松切割金属、混凝土和岩石。然而，它超凡的硬度也给制造过程带来了最大难题。这种材料一旦成型，便极难再塑形，导致生产过程相较于最终产出的可用产品量而言，显得缓慢、浪费且成本高昂。

该问题至关重要，因为无论何处，只要磨损和重负荷会迅速损毁普通金属，包括切割工具和建筑工具，人们都会依赖碳化钨-钴（WC-Co）硬质合金。如今，制造商通常会采用粉末冶金工艺，将碳化钨（WC）和钴（Co）粉末进行压制，然后在高压高温下烧结，以制成坚固的硬质合金部件。

其弊端在于效率问题。粉末冶金工艺虽能打造出硬度极高、极为耐用的产品，但往往需要消耗比最终零件实际需求量更多的昂贵材料，且成品率较低。本研究探索了一条不同路径，将增材制造（AM，亦称3D打印）与热线激光辐照技术相结合，旨在仅在所需部位添加硬质合金，同时保持性能不变，减少浪费并降低成本。

该研究发表于《国际难熔金属与硬质材料杂志》。

热丝激光辐照增材制造

研究人员并未将硬质合金视作必须雕琢的块体，而是测试能否借助增材制造技术（AM）实现更精准的构建。其核心工具是热丝激光辐照技术（亦称激光热丝焊），该技术将激光束与预热的填充焊丝相结合。对焊丝进行预热有助于提升沉积速率（即填充金属的添加量），并通过减少激光在沉积过程中所需的能量供给，显著提高工艺效率。

他们评估了两种应用该理念的方法。其一，硬质合金棒在构建过程中位于前端移动，同时激光照射在棒的顶部；其二，激光先行，瞄准硬质合金棒底部与基材（铁）之间的区域。在这两种设置中，目标都是使金属软化而非完全熔化，此举旨在助力硬质合金成型，同时限制极端热条件对加工过程中硬脆材料可能造成的损害。

“硬质合金是一种硬度极高的材料，常用于刀具刃口及类似用途，但其原料为钨、钴等极为昂贵的金属，因此减少材料用量十分必要。通过增材制造技术，硬质合金可仅在所需部位沉积，从而降低材料消耗。”该研究论文的通讯作者、广岛大学先进理工学部助理教授丸本启太（Keita Marumoto）如是说。

实现无缺陷工业级碳化物

结果表明，该方法可有效维持传统方法制造的碳化钨-钴（WC-Co）硬质合金的硬度及机械完整性，使基材硬度超过1400维氏硬度（HV，一种表征材料抗穿透能力的单位），且不会引入任何缺陷或导致分解。

此硬度级别的材料堪称工业领域中最为坚韧的材料之一，仅次于蓝宝石和钻石等超硬物质。尽管部分结果存在差异，但制造出无缺陷的硬质合金模具确实可行，而这正是本研究的主要目标。

例如，棒料引导法似乎会导致构建体上部的碳化钨（WC）分解，进而使最终产品出现缺陷。激光引导法在维持成功所需的硬度方面也存在难题。为此，我们添加了以镍合金为基础的中间层，并结合对温度（高于钴的熔点，低于晶粒生长温度）的维护与监控，最终通过增材制造（AM）技术生产出了硬质合金，且无需牺牲材料硬度。

该技术的未来发展方向

这些颇具前景的研究成果，为进一步优化其工作奠定了良好基础。研究人员期望，此项工作能取得新进展，从而解决开裂问题，并塑造出更为复杂的形态。

丸本（Marumoto）表示：“通过软化而非完全熔化金属材料来实现成型的方法颇具新意，该方法不仅有望应用于本研究聚焦的硬质合金领域，还可拓展至其他材料领域。”

最终，制造切削工具、探索其他材料的应用，以及进一步研究如何提高耐用性，将成为该研究未来最受关注的几个方面。

参考文献：基塔·丸本（Keita Marumoto）、田崎 昭（Takashi Abe）、永守 启吾（Keigo Nagamori）、市川 浩（Hiroshi Ichikawa）、西山 明雄（Akio Nishiyama）与山本 基道（Motomichi Yamamoto）于2025年12月11日发表于《国际难熔金属与硬质材料杂志》（International Journal of Refractory Metals and Hard Materials）的文章《热丝激光辐照法及镍基合金中间层对WC-Co硬质合金增材制造力学性能与微观结构的影响》。DOI：10.1016/j.ijrmhm.2025.107624