激光选区熔化制备WC-Co硬质合金成形过程凝固行为及热辐射影响研究

The cemented carbides with complex shape, high precision and high performance have become an important direction and bottleneck, which restrict its prograss and application. The forming difficulties can be solved by 3D-printing technology. However, some problems exists in cemented carbides prepared by 3D-printing, such as lower density, biased constituent, cracking, scarce carbon phase. Based on these actualities, this project proposes the following scientific problems for fabricating cemented carbides by selective laser melting (SLM): first, the heat transmission and temperature field distribution in molten bath, the dissolution and precipitation of WC phase in Co during the rapid heating and cooling process, the stress and strain distributions of cemented carbides during SLM solidification process; second, the influence mechanism of thermal radiation in molten bath on nucleation and growth of WC grains and phase transition of Co during SLM process; third, the loss mechanism, control model and supplementation of carbon during SLM forming process..This project will use the theories of heat transfer theory，finite-element analysis and heat treatment to solve the scientific problems, by which reasonable SLM parameter and the precise control of structure and property can be realized. This project could provide scientific basis for fabricating cemented carbides with complex shape and high precision.

形状复杂、高精度、高性能是硬质合金发展的重要方向，逐渐成为制约其应用的瓶颈。通过3D打印技术可解决复杂形状、高精度硬质合金的成型难题，然而当前3D打印制备的硬质合金存在致密度偏低、组织易开裂、成分偏差大、易出现贫碳相等问题。针对此现状，本项目采用激光选区熔化（简称SLM）方法成型硬质合金，重点研究以下科学问题：一、SLM成形过程熔池内部的传热和温度场分布规律，快速加热、快速冷却过程WC在Co相中的溶解再析出与晶粒生长机理，凝固过程硬质合金内部应力应变场分布规律；二、SLM成型过程熔池热辐射对WC晶粒形核与长大、对Co相相变的影响机理；三、SLM成形过程碳的损失机理、控制模型及WC-Co复合粉末中碳的添加量与添加方式。.项目以传热学、有限元分析、热处理等理论为指导，通过解决以上核心科学问题，实现SLM制备硬质合金的合理工艺设计及精准组织性能调控，为SLM成形制备硬质合金提供科学支撑。

硬质合金是由难熔金属碳化物和粘结相组成的，通过粉末混合、成形然后烧结制备而成，具有高硬度、高耐磨性、耐强度等特点。然而传统粉末冶金方法难以形成复杂零件，而增材制造(3D打印)采用数字化叠层加工技术，能够实现快速精准的成形。本项目系统性地研究了选区激光熔化成形（SLM）WC-Co硬质合金中存在的问题，通过粉末制备、SLM成型过程温度场/应力场模拟、工艺及组织性能调控等，初步获取了SLM成型硬质合金的技术模型。所取得的创新性成果如下：.1.本项目采用等离子球化WC粉末表面化学包覆Co以及流化床化学气相沉积包覆成功制备出球形度，包覆效果均符合SLM成形的粉末，采用WC-Co粉末球磨喷雾干燥预烧结制备出低成本的类球形粉末，发现这三种粉末均可以较好的成型。.2.本项目采用ANSYS软件，利用APDL命令流编译移动高斯热源，研究了选区激光熔化制备WC-12Co硬质合金过程温度场应力场分析，模拟SLM成形中不同工艺参数下的WC-12Co硬质合金温度场分布及熔池尺寸变化情况，并对仿真结果进行了实验验证。应力场模拟模拟结果认为，通过预热可以有效降低应力，最终零件从预热温度到室温的均匀冷却不会产生额外的应力。.3.本项目进一步阐明了碳含量在硬质合金力学性能中起的作用，对碳含量损失的机理进行了深入探讨，并对碳含量的添加提出了可行的方法。根据前期理论研究，采用制备的WC-12Co粉末分别采用SLM和LED方法成形了硬质合金，探讨了45#钢以及WC-20Co基板对LED成形效果的影响。经过一系列工艺优化，SLM成形材料获得了高达84HRA的硬度值，一定程度上超过了传统粉末冶金制备材料硬度。但是强度与塑性目前仍然偏低，离应用还有一定的距离。.通过以上研究，在国内外期刊如International Journal of Refractory Metals and Hard Materials、 Materials Science and Engineering A、Intermetallics等发表学术论文8篇，申请和授权发明专利5项，培养毕业硕士生4名。参加国内外学术会议8次，担任分会主席2次，做特邀/口头报告6次。与澳大利亚皇家墨尔本理工大学、挪威科技大学建立了长期合作关系。