[启明增材制造]硬质合金的增材制造，长期卡在一个钴含量的临界点上。激光粉末床熔融（LPBF）等直接成形路线，对高钴（≥10 wt%）体系来说热裂纹、脱碳和异常晶粒长大难以避免；粘结剂喷射（BJ）作为间接路线，温度控制更从容，却同样在低钴体系面前碰壁——钴含量低于10 wt%时，液相量不足，打印阶段堆积的大孔隙在烧结中无法消除，最终留下大量孔洞。
近日，广东工业大学邓欣教授团队最近发表在《International Journal of Refractory Metals and Hard Materials》的一项研究，用一条“不预烧结颗粒 + 双冷等静压-CIP”的工艺路线，把 WC-6.5Co 的烧结相对密度推到了 99.5%，并系统对比了不同冷等静压（CIP）与脱脂顺序对微观组织和力学性能的影响。
01
为什么低钴硬质合金难做？
粘结剂喷射打印硬质合金的常规喂料是经过预烧结的硬质合金颗粒。预烧结让颗粒获得足够强度，保证铺粉和打印稳定性，但也带来两个后果：一是额外能耗，使BJ的整体能耗接近传统粉末冶金的两倍；二是颗粒变硬后，打印生坯中颗粒间堆积形成的大孔隙难以通过后续冷等静压（CIP）压合消除。
对高钴体系，液相烧结时较多的钴液可以填充这些孔隙；但对 Co < 10 wt% 的低钴体系，液相量少，堆积孔隙大量残留，烧结后形成严重孔洞，力学性能急剧下降。此前BJ成功报道的硬质合金，钴含量基本在10–30 wt%区间。
图1：碳化物BJ过程中WC晶粒异常长大和Co池形成机制。
02
工艺核心：不预烧结颗粒 + CIP–脱脂–CIP
研究团队直接采用喷雾干燥、未经预烧结的 WC-6.5Co 颗粒（WC平均粒径0.4 μm，含2 wt% PEG，并添加Cr₃C₂和VC抑制晶粒长大）。颗粒球形度好，Hausner比为1.16、Carr指数0.14，铺粉流动性满足BJ要求。
由于颗粒未经预烧结、强度较低，CIP可以有效地压合颗粒、消除堆积孔隙。团队设计了三组后处理方案进行对比：1）W6.5-PbD：CIP → 脱脂；2）W6.5-PaD：脱脂 → CIP；3）W6.5-TP：CIP → 脱脂 → CIP（双CIP）。
打印参数为层厚80 μm、粘结剂饱和度90%、干燥60 s、铺粉速度6 mm/s；CIP压力200 MPa；脱脂在Ar+H₂气氛下进行；最终在1470 °C、3 MPa氩气下烧结1 h。
03
实验结果：双CIP把致密度和性能一同提升
1.致密度与收缩
不预烧结颗粒的打印生坯相对密度仅21.77%，若直接烧结，需要超过78%的体积收缩才能致密化，尺寸控制几乎不可能。CIP后坯体密度显著提升，且双CIP效果最明显：对于单次CIP（PbD或PaD）烧结相对密度为 97.86–98.36%；而双CIP（TP）达到 99.53%。
图3 WC-6.5Co压坯在绿色、棕色和完全烧结状态下的相对密度演变
双CIP在烧结前引入更大的线/体积收缩，从而降低烧结阶段的收缩量，这对尺寸精度控制是有利的。研究还观察到，所有样品在厚度方向（Z）的线收缩都大于水平方向（X/Y），这与BJ逐层铺粉、Z向粘结剂溢出有关。
图4 WC-6.5Co试样在绿色、棕色和完全烧结状态下的形态演变。
图5 WC-6.5 Co在（a）连续CIP脱脂处理和（B）最终烧结后的线性/体积收缩。
2.微观组织
单次CIP样品中仍可观察到孔隙和钴池；双CIP样品则有效消除了孔隙、钴池和异常长大WC晶粒。EBSD显示，双CIP样品的WC晶粒取向随机、晶格完整度高——86.3%的晶粒取向偏差在0–1.2°，平均WC晶粒尺寸为0.51 μm，仅比原始0.4 μm略有长大，说明VC和Cr₃C₂的晶粒抑制效果明显。
3.力学与摩擦磨损性能
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
图7 WC-6.5Co碳化物在横向断裂强度测试后的断口形貌：（a-b）W6.5-PbD;（c-d）W6.5-TP。
04
总结及应用
这篇论文的价值不在于省去BJ硬质合金的两个成本/工艺障碍：
1.省掉原材料预烧结：直接使用低成本、低能耗的喷雾干燥颗粒，显著降低BJ的整体能耗和制造成本；
2.用双CIP打通低钴体系：通过“CIP–脱脂–CIP”顺序，把低钴硬质合金的烧结致密度推到99.5%，并系统证明该顺序对孔隙、钴池和异常晶粒的抑制效果优于单次CIP。
对硬质合金增材制造而言，这意味着BJ的可加工成分窗口从高钴体系向低钴、甚至更低碳含量的耐磨/刀具材料延伸了一步。对刀具、模具、耐磨件等以WC-Co为主的应用场景，低钴化本身就有成本和性能上的吸引力，而BJ在复杂几何和大尺寸方面的优势，正好补上了传统粉末冶金在形状自由度上的短板。
从实验室样品到工业件，仍需几个问题回答：双CIP对复杂内腔结构的实际压合效果、批次一致性、以及烧结后尺寸精度的工程可控性。
论文信息：Dezhi He, Honghua Hu, Rui Li, Yanxun Liang, Wei Duan, Xin Deng, Qingwei Jiang, Wenjun Tan, Fangxi Cheng, Fujian Guo. Binder jetting additive manufacturing of low-Co WC-6.5Co cemented carbide via a CIP-debinding-CIP strategy. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 136 (2026) 107620.
通讯作者介绍：
邓欣（通讯作者），国家级特聘专家，广东工业大学“百人计划”特聘教授，机械工程学会工程陶瓷专业委员会理事，广东石油化工学院及岭南师范学院客座教授，中国专业期刊《材料导报》及《硬质合金》编委。曾任世界顶级硬质合金制造公司-肯纳金属、世界最大的石油服务公司-斯伦贝谢公司高级研发工程师及项目经理，美国TMS材料协会复合材料委员会委员。主要研究方向包括金属及复合材料增材制造、硬质合金及超硬材料增材制造、硬质合金及超硬材料尖端工具研发、金属及非金属材料精密加工技术、复合材料显微结构表征及宏观物理力学性能仿真研究，主持研发多项国际尖端硬质合金及超硬材料工具产品，主持多项省部级科研项目，项目金额超过3000万元，在能源环保、珠宝、汽车零部件及超硬工具材料等领域的增材制造方向取得显著科研成果，发表高水平专业论文60余篇，他引次数超过1000，授权中国发明专利30余项，授权国际发明专利3项。
活动推荐
2027固态增材制造创新论坛 | 第1轮通知
会议时间：2027年1月13-15日
会议地点：浙江 · 宁波
主办单位：Flink启明产链
承办单位：厦门启明产服科技研究院有限公司
专题1：冷喷涂增材制造
○ 物理过程与结合机制
○ 材料微观结构与演变
○ 沉积层的力学性能研究
○ 工艺挑战与应用趋势
专题2：超声增材制造
○ 工艺基础与参数建模
○ 微观结构与力学表征
○ 工艺积累与装备突破
○ 电气化/电子等工业应用验证
专题3：增材摩擦搅拌沉积
○ 工艺基础概述
○ 动态微观结构演变
○ 沉积层力学性能探讨
○ 潜在工业应用
○ 基于摩擦的增材制造技术探讨
专题4：粘结剂喷射技术
○ 原料与粘结剂选择
○ 打印精度控制与表面处理
○ 粘结剂喷射技术应用
○ 固态烧结原理与模型
○ 磁性材料增材制造方法
包含但不限于以上议题，欢迎联系合作提供定制化专题。
为给大家提供精准的需求对接和服务，启明增材制造交流群正式上线，欢迎大家扫码进群交流探讨↓↓↓。
内容信息