硬質(zhì)合金刀具增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢和展望

中圖分類號：TN249DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.06.017 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Development Trends and Prospects of Additive Manufacturing Technology for Cemented Carbide Cutting Tools

JIANG Feng1，2 * HU Ronghui1DENG Jiedong1ZHANG Tian1HUANG Guoqin1'2 XU Yangli1，2 LI Yousheng3 LIU Chao4 1.Institute of Manufacturing Engineering，Huaqiao University，Xiamen，F(xiàn)ujian，361021 2.State Key Laboratory of High Performance Tools，Xiamen，F(xiàn)ujian，361021 3.Xiamen Golden Heron Special Alloy Co.，Ltd.，Xiamen，F(xiàn)ujian，361021 4.Xiamen Tungsten Co.，Ltd.，Xiamen，F(xiàn)ujian，361009

Abstract： Two technical routes for the additive manufacturing of cemented carbide cutting tools were reviewed： the powder bed fusion route based on thermal forming，and the forming-debindingsintering based on cold printing of green bodies， followed by debinding and sintering. The powder bed fusion technique might produce cemented carbide cutting tools with near-theoretical density，but issues such as porosity，cracking，decarburization and cobalt evaporation remained. By adjusting parameters such as laser energy density，scanning speed，and powder characteristics，the quality of the printed components might be significantly improved. The forming-debinding-sintering technique might produce cutting tools with excellent surface quality and superior mechanics properties，but challnges such as binder residue and component shrinkage persisted. By optimizing key parameters such as binder type，debinding process，and sintering temperature，the density and mechanics properties of the components might be enhanced. Additionally， heat treatment processes such as vacuum sintering，hot pressing，and hot isostatic pressng might further eliminate internal defects in the materials，thereby improving the overall performance of the cutting tools.

Key words： cutting tool;cemented carbide；additive manufacturing；powder bed fusion technology; forming-debinding-sintering technology

0 引言

近年來，我國政府相繼出臺了《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》[1]《質(zhì)量強國建設(shè)綱要》[2]《機械行業(yè)穩(wěn)增長工作方案（2023—2024年）》[3]等一系列重要政策文件，旨在大力推動高端裝備和新材料行業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)先進(jìn)制造技術(shù)及工具設(shè)備的持續(xù)進(jìn)步。在國家政策的有力支持下，我國高端裝備和新材料產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，復(fù)雜零件加工需求持續(xù)增長，推動了仿形刀具[4-6]、內(nèi)冷刀具[7-9]、微織構(gòu)刀具[10-12]、梯度結(jié)構(gòu)刀具[13-14]等高性能刀具的技術(shù)革新。作為切削加工領(lǐng)域的主流刀具，硬質(zhì)合金刀具的傳統(tǒng)制造工藝包含制粉、成形、燒結(jié)、加工和涂層五個核心環(huán)節(jié)[15-18]。然而，該傳統(tǒng)模具依賴型生產(chǎn)模式面臨小批量生產(chǎn)時成本高、復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形難等瓶頸，這為增材制造技術(shù)的發(fā)展提供了重要契機[19-21]。

硬質(zhì)合金刀具的增材制造技術(shù)可歸納為兩類技術(shù)路線：基于熱成形的粉末床熔融（powderbedfusion，PBF）技術(shù)路線和基于生壞冷打印、脫脂和燒結(jié)工藝的冷沉積燒結(jié)（forming-debindingsintering，F(xiàn)DS）技術(shù)路線。PBF技術(shù)通過激光/電子束選擇性熔融粉末逐層成形[22]，具體可分為選區(qū)激光熔化（selectivelasermelting，SLM）[23-24]和選區(qū)電子束熔化（selective electronbeam melting，SEBM）兩種技術(shù)[25-26]。FDS 技術(shù)則結(jié)合3D打?。ɡ浼庸ぃ┡c粉末冶金脫脂燒結(jié)工藝（熱加工），通過生壞脫脂燒結(jié)實現(xiàn)成形[27]，在生坯冷打印工藝方面，已成功開發(fā)出多種工藝，包括擠出式金屬增材制造（extrusionmetaladditivemanufacturing，EAM）、間接選擇激光燒結(jié)（indi-rectselectivelasersintering，IndirectSLS）、熔絲制造技術(shù)（fused-filamentfabrication，F(xiàn)FF）、復(fù)合擠出成形（composite-extrusionmodelling，CEM）、黏結(jié)劑噴射成形（binderjetadditiveman-ufacturing，BJAM）和熔融沉積成形（fusion deposition modeling，F(xiàn)DM）等。

目前，硬質(zhì)合金刀具的國內(nèi)外研究呈現(xiàn)差異化發(fā)展特征：國內(nèi)通過對PBF和FDS等技術(shù)路線的探索，不僅提高了硬質(zhì)合金刀具的制造精度和材料性能，還實現(xiàn)了更復(fù)雜的刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計。鄭敏利等[28]基于3D打印技術(shù)開發(fā)了新型球頭銑制備方法，有效解決了傳統(tǒng)制造方法在硬質(zhì)合金刀具制備中的微織構(gòu)缺陷問題。國外硬質(zhì)合金刀具增材制造技術(shù)起步較早，技術(shù)成熟度較高，擁有先進(jìn)的制造設(shè)備和完善的工藝優(yōu)化體系。德國KOMETGROUP公司采用雷尼紹公司的金屬增材制造技術(shù)，通過優(yōu)化刀片布局和冷卻通道路徑，實現(xiàn)了刀具進(jìn)給率 50% 以上的大幅提升[29]。英國EffectiveCNCLtd.公司與雷尼紹公司合作開發(fā)了一種新型增減材復(fù)合機床，該機床結(jié)合了熔絲沉積增材制造系統(tǒng)、銑削、車削和磨削工藝，能夠在一臺機床上實現(xiàn)刀具部件的增材制造和精加工，極大提高了生產(chǎn)效率和加工精度[30]。

本文圍繞增材制造硬質(zhì)合金刀具的兩大技術(shù)路線展開，系統(tǒng)闡述PBF與FDS技術(shù)原理，梳理它們在硬質(zhì)合金刀具增材制造領(lǐng)域中的最新研究進(jìn)展及在該領(lǐng)域的應(yīng)用特點；此外，從各技術(shù)路線的工藝環(huán)節(jié)入手，對比分析不同工藝參數(shù)對刀具性能的影響機制，探討熱處理工藝優(yōu)化方向；最后對該技術(shù)領(lǐng)域的研究前景和未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

1硬質(zhì)合金刀具的增材制造工藝

1.1 粉末床熔融技術(shù)路線

PBF技術(shù)的原理如圖1所示。首先，將粉末材料均勻鋪設(shè)在成形平臺上，隨后使用激光束或電子束作為熱源，按照軟件預(yù)設(shè)的路徑對粉末進(jìn)行照射并使其熔化。熔化的粉末在冷卻過程中固化，通過逐層鋪粉、熔化和固化的循環(huán)過程，最終完成整個零件的制造[31-32]。由于采用的熱源類型不同，選區(qū)激光熔化（SLM）和選區(qū)電子束熔化（SEBM）在工藝條件上存在顯著差異。在SLM過程中，粉末床通常置于由氬氣或氮氣控制的環(huán)境氣氛中。對于金屬材料而言，這可以防止材料在高溫環(huán)境下發(fā)生氧化，從而確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。相比之下，SEBM則需要在高度真空的環(huán)境中進(jìn)行，并通過電磁透鏡實現(xiàn)聚焦和偏轉(zhuǎn)。

這是因為氣體分子的存在會導(dǎo)致電子束與氣體分子發(fā)生碰撞，這不僅會造成能量的損失，還會使電子束的方向發(fā)生偏移，因此，高度真空環(huán)境是確保電子束精確照射并熔化粉末的必要條件。

XING等[33]采用SLM工藝打印硬質(zhì)合金刀頭，如圖2所示，使用由碳化鎢和占總質(zhì)量 20% 的鈷 （WC-20%Co） 組成的復(fù)合粉末作為打印材料，顆粒直徑為 5～30μm ，做了6組實驗，采用鋸齒狀掃描方式在氬氣環(huán)境中進(jìn)行實驗。以激光掃描能量和掃描速度為變量，其中激光掃描能量從200W 開始，每次遞增 20W ，直至 300W ；掃描速度從 500mm/s 開始，每次遞增 50mm/s ，直至750mm/s 。在其他條件不變的情況下，系統(tǒng)研究了激光掃描能量和掃描速度兩個因素對孔隙率的影響。結(jié)果顯示，SLM打印刀片孔隙率低于4.5% ，這表明打印過程中材料的致密度相對較高，少量孔隙的存在可能是由于打印過程中的微小氣泡或未完全熔化的粉末顆粒所致。當(dāng)掃描能量設(shè)定為 260W 、掃描速度為 650mm/s 時，孔隙率達(dá)到了最低值 2.5% ，這表明該參數(shù)組合可能是該打印條件下實現(xiàn)最佳材料致密化的關(guān)鍵因素。通過調(diào)整這些參數(shù)，可以控制粉末的熔化程度和打印層的結(jié)合強度，從而有效降低孔隙率。

JOSEF等[34]同樣采用SLM工藝制造了硬質(zhì)合金立銑刀，為了提高刀具的加工性能，根據(jù)冷卻需求設(shè)計了特定路徑的內(nèi)冷流道，所打印的刀具如圖3所示。其中，圖3a展示了刀具的外形，其直徑為 16mm ，切削刃長度為 40mm ；圖3b為刀具的截面圖；圖3c則展示了刀具內(nèi)冷流道的設(shè)計細(xì)節(jié)。刀具的制造材料選用 WC-17%Co 組成的復(fù)合粉末，顆粒具備良好的流動性。打印過程在400W的功率下進(jìn)行，環(huán)境氣體為氬氣和氮氣，同時基板溫度維持在 650°C 。

UHLMANN等[35]研究了激光打印過程中不同工藝參數(shù)對WC-Co打印件質(zhì)量的影響，具體探討了焦點位置、激光功率、掃描速度、掃描線間距以及層厚度等因素對相對密度、硬度、孔隙、裂紋、分層和翹曲的影響。采用SLM工藝打印了刀頭內(nèi)部的冷卻流道（圖4a），并同樣打印了相匹配的帶有內(nèi)冷流道的刀體（圖4b）。這一設(shè)計構(gòu)建了加工刀具內(nèi)部的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，有效消除了刀具內(nèi)部的熱積聚，從而減少了工件的翹曲現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，高能量輸入雖然能夠達(dá)到較高的相對密度，但會使碳化鎢材料脆化，增加熱裂紋的風(fēng)險；而低能量輸入雖然能保持較高的鈷含量，提高材料的韌性和抗斷裂、抗裂紋擴展能力，但同時也會導(dǎo)致孔隙率的增大。

KONYASHIN等[36]利用SEBM工藝成功制造了硬質(zhì)合金刀具，其成品如圖5所示。從圖中可以清晰地看到，打印樣品的表面層表現(xiàn)出較高的表面粗糙度。具體而言，樣品頂面的粗糙度Ra=4.4μm，Rz=22.8μm ，側(cè)面的粗糙度 Ra= 24.5μm，Rz=142.3μm 。頂面的粗糙度幾乎與原始顆粒的平均尺寸相當(dāng)。此外，研究發(fā)現(xiàn)，通過SEBM技術(shù)制備的硬質(zhì)合金刀具樣品硬度約為9.5GPa ，并且在測量斷裂韌性時表現(xiàn)出明顯的各向異性特征。此外，SEBM技術(shù)制備的樣品通常存在宏觀可見的氣孔，可以通過后續(xù)的燒結(jié)工藝進(jìn)一步消除。

PBF技術(shù)路線能夠有效應(yīng)用于硬質(zhì)合金刀具的制造，通過調(diào)整激光掃描能量和掃描速度等工藝參數(shù)，可以精確控制粉末的熔化強度和打印層的結(jié)合強度，進(jìn)而影響孔隙率，優(yōu)化刀具的致密度和質(zhì)量。此外，PBF技術(shù)路線還允許在刀具設(shè)計中集成復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如內(nèi)冷流道等，以提高刀具的加工性能和耐用性。其中，以高能激光束為熱源的SLM技術(shù)在硬質(zhì)合金刀具增材制造領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。這主要得益于其相對較低的設(shè)備成本以及高效、精準(zhǔn)的逐層制造能力，使其能夠滿足復(fù)雜刀具結(jié)構(gòu)的制造需求。而以電子束為熱源的SEBM技術(shù)則通過磁場控制實現(xiàn)遠(yuǎn)高于SLM的掃描速度，極大提高了制造效率。此外，SEBM技術(shù)中電子束的高能量密度能夠產(chǎn)生更高的溫度，有利于材料的充分熔融[37]。通常情況下，與SLM相比，SEBM對支撐結(jié)構(gòu)的要求較低，因為在SEBM過程中，加熱（燒結(jié)）步驟中的燒結(jié)粉末本身即可作為支撐結(jié)構(gòu)。

1.2冷沉積燒結(jié)技術(shù)路線

FDS技術(shù)的成形原理如圖6所示，主要是利用黏結(jié)劑將硬質(zhì)合金粉末黏結(jié)在一起形成原料，隨后，通過螺桿擠出機將原料擠出，并在一定溫度下固化，形成生坯[38]。由于生坯中含有黏結(jié)劑，因此需要進(jìn)行脫脂處理以去除這些黏結(jié)劑。脫脂后的制件密度會降低，所以還需經(jīng)過燒結(jié)過程，以提高制件的密度和力學(xué)性能[39]。

擠出式金屬增材制造（EAM）技術(shù)與常規(guī)冷打印生壞技術(shù)類似，ZHAO 等[40]采用由 WC-8% Co組成的混合粉末作為原料，并以石蠟、高密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯和硬脂酸作為黏結(jié)劑，分別研究了粉末含量（體積分?jǐn)?shù)）為 51% 和 57% 的硬質(zhì)合金刀具打印部件的多項性能，具體數(shù)據(jù)參見表1。打印完成后，采用液態(tài)脫脂和燒結(jié)脫脂兩種方法對部件進(jìn)行處理，并在 1400^°C 的氫氣環(huán)境中進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)后的粉末含量為 57% 的樣品如圖7所示。燒結(jié)過程完整保留了樣品的主要幾何特征，并呈現(xiàn)出良好的各向同性收縮特性。最終，粉末含量為 57% 的樣品表現(xiàn)出更低且更均勻的各向同性線收縮率， X，Y，Z 方向的收縮率分別為 17%.16.6% 和 16.4% ，其相對密度可達(dá)99% 。相比之下，燒結(jié)后的粉末含量為 51% 的樣品表現(xiàn)出較大的各向異性收縮率， X，Y，Z 方向的收縮率分別為 20.6%.19.8% 和 23.0% 。其中， Z 方向的顯著收縮可能是由于脫脂后層間間隙較大所致。此外，打印出的刀具在精度、微觀結(jié)構(gòu)、表面特性和力學(xué)性能上與傳統(tǒng)方法制備的刀具相接近。

與SLM不同，間接選擇激光燒結(jié)（IndirectSLS）采用低激光能量進(jìn)行打印，有效避免了激光過熱的問題，屬于冷打印生坯工藝。完成打印后，仍需進(jìn)行脫脂和燒結(jié)處理。JUCAN等[41]利用IndirectSLS技術(shù)制造了硬質(zhì)合金內(nèi)冷流道立銑刀，實驗過程中將 WC-12%Co 組成的復(fù)合粉末與四種不同含量的聚酰胺黏結(jié)劑均勻混合 ⁴h 。打印前，基板被加熱到 170°C ，以預(yù)防打印過程中裂紋的產(chǎn)生，隨后在氮氣環(huán)境中進(jìn)行打印，所成形的部件如圖8所示。

圖9展示了聚酰胺占總質(zhì)量 20% 的立銑刀的三維光學(xué)掃描結(jié)果。最大偏移出現(xiàn)在立銑刀的底部，約為 1mm ，這可能是由于燒結(jié)過程中刀具自重所導(dǎo)致的變形。然而，其他結(jié)構(gòu)均能保持原有形狀，且未出現(xiàn)裂紋、扭曲或其他宏觀缺陷。此外，立銑刀表面光滑、刀刃鋒利、內(nèi)冷流道位置準(zhǔn)確，整體質(zhì)量良好。

熔絲制造技術(shù)（FFF）和復(fù)合擠出成形（CEM）是生坯冷打印中的兩種常見工藝。兩者均通過噴頭熔融原料來成形生壞，并在打印完成后進(jìn)行脫脂和燒結(jié)處理。不過，F(xiàn)FF使用絲材作為原料，而CEM采用粉材。這兩種工藝的原理如圖1O 所示[42]。在打印過程中，F(xiàn)FF的噴嘴溫度設(shè)定為 200° ，材料擠出速度為 1mm/s ；而CEM的噴頭溫度為 190^°C ，同時基板溫度控制在100^°C 。對于FFF工藝而言，保持絲材的連續(xù)供給至關(guān)重要，在打印過程中，必須確保絲材之間無間隙，以避免產(chǎn)生孔隙。然而，由于FFF噴頭直徑為 0.6mm ，打印出的刀片表面可能會顯得較為粗糙。相比之下，CEM由于其較小的噴頭直徑而能夠獲得更為細(xì)膩的表面效果。

在冷印生坯技術(shù)中，黏結(jié)劑噴射（BJAM）工藝特別適合用于制造無裂紋的硬質(zhì)合金部件。與其他增材制造工藝類似，BJAM也要求原料粒徑在 20～50μm 范圍內(nèi)。在該工藝中，使用水性二甘醇單乙醚作為黏結(jié)劑，并保持 45% 的黏結(jié)劑飽和度。打印完成后，部件在 200°C 下進(jìn)行固化處理，以提高生壞的密度，固化后的相對密度可達(dá)40%～45% 。對通過BJAM工藝制造并經(jīng)熱等靜壓燒結(jié)處理所得的部件進(jìn)行各項性能測試，結(jié)果表明，該工藝能夠制造出性能優(yōu)異的硬質(zhì)合金部件，如圖11所示[43]。

TADAYYON等[44]利用熔融沉積工藝（FDM）技術(shù)成功制造了鉆體的切削齒，實現(xiàn)了硬質(zhì)合金與金剛石材料的梯度結(jié)合，如圖12所示。這一創(chuàng)新技術(shù)顯著提高了聚晶金剛石油孔鉆的機械性能、耐磨性和抗斷裂性，并創(chuàng)造出一種新穎且高度可控的漸變微觀結(jié)構(gòu)，這是傳統(tǒng)加工技術(shù)難以實現(xiàn)的。在切削方式上，這種新型切削齒與傳統(tǒng)牙輪鉆頭有顯著不同。傳統(tǒng)牙輪鉆頭主要通過壓縮作用破碎巖石，而新型切削齒則通過剪切的方式實現(xiàn)更高效的破碎效果。燒結(jié)前后微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的對比分析結(jié)果表明，燒結(jié)后的切削齒具有更優(yōu)的斷裂韌性，刀具使用壽命也顯著。

從上述研究可以看出，基于生壞冷打印、脫脂和燒結(jié)的FDS技術(shù)路線在硬質(zhì)合金刀具制造領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用潛力。該技術(shù)能夠成功制造出具有優(yōu)異機械性能、耐磨性和抗斷裂性的硬質(zhì)合金刀具部件。該技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)硬質(zhì)合金與其他超硬材料的漸變結(jié)合，創(chuàng)造出具有漸變特性的微觀結(jié)構(gòu)。此外，通過FDS技術(shù)路線制造的刀具在燒結(jié)后表現(xiàn)出更優(yōu)的斷裂韌性和更長的使用壽命，這充分證明了該技術(shù)在提高刀具性能方面具有顯著的實際效果。

在FDS技術(shù)路線中，不同的增材制造技術(shù)有著各自的優(yōu)勢和局限，因此在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實際需求作出最佳選擇。其中，EAM制件具有較高的致密度和強度，微觀組織均勻。然而，在擠出過程中受溫度梯度和冷卻速率的影響，內(nèi)部應(yīng)力可能較大，有時可能會出現(xiàn)微小裂紋或變形[45]。Indirect SLS能夠制造復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)且制件精度較高，但激光燒結(jié)過程中的快速加熱和冷卻可能導(dǎo)致組織內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，且材料可能因快速熔化與凝固而產(chǎn)生微小氣孔[46]。FFF具有較低的制造成本和較快的制造速度，但宏觀上可能存在層與層之間黏結(jié)不夠牢固的問題，組織內(nèi)部可能存在未完全熔合的區(qū)域，從而影響整體強度[47]。CEM制件具有較高的強度和耐磨性，但可能在材料界面處出現(xiàn)微小缺陷或不均勻性[48]。BJAM制件具有良好的尺寸精度和表面質(zhì)量，然而，由于使用了黏結(jié)劑，在燒結(jié)過程中可能會產(chǎn)生收縮或變形，且需要后續(xù)的燒結(jié)工藝來增強材料的硬度和強度[49]。FDM制件成本較低且制造速度快，但其精度和強度可能略低于其他技術(shù)制件，此外，由于采用層層堆積的方式，層與層之間的結(jié)合可能不如其他技術(shù)牢固[50]。

1.3 兩類技術(shù)路線對比

在硬質(zhì)合金刀具增材制造領(lǐng)域，PBF和FDS作為兩大重要技術(shù)路線，各具獨特技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用特點。然而，由于二者的技術(shù)原理不同，因此在硬質(zhì)合金刀具增材制造過程中也呈現(xiàn)出不同的應(yīng)用表現(xiàn)。關(guān)于PBF技術(shù)路線與FDS技術(shù)路線在硬質(zhì)合金刀具增材制造方面的對比詳見表2的總結(jié)[51]。

PBF技術(shù)路線無需額外的脫脂操作，能夠制備出接近理論密度的硬質(zhì)合金刀具，這類刀具具備良好的力學(xué)性能，但可能表現(xiàn)出各向異性的力學(xué)性能。對于一些形狀簡單的部件，僅需通過參數(shù)調(diào)整便能直接形成致密件。然而，PBF技術(shù)也存在一些缺陷，該技術(shù)采用高能激光或電子束熔化粉末的加工方式，可能導(dǎo)致刀具內(nèi)部存在孔隙。其中，大孔隙通常源于原料粉末熔化不充分或激光熔化軌跡不連續(xù)；而小孔隙則可能是由于液態(tài)WC-Co再結(jié)晶時成形倉粉體中存在的氣體所引發(fā)[52-53]此外，高能束產(chǎn)生的高溫還可能引發(fā)脫碳、化學(xué)失衡以及鈷蒸發(fā)等問題[54]。由于陶瓷相和金屬相的熔點及膨脹系數(shù)不一致，打印過程中固態(tài)碳化鎢和液態(tài)鈷共存，導(dǎo)致熱收縮不匹配，冷卻時可能產(chǎn)生裂紋，從而影響硬質(zhì)合金刀具的性能[55-56]。

表2PBF與FDS技術(shù)路線對比[51]

FDS技術(shù)路線無需高溫操作，能有效避免高能量引發(fā)的一系列缺陷，因此在解決PBF技術(shù)路線中難以消除的孔隙問題方面具有獨特優(yōu)勢。FDS技術(shù)能夠制備出相對密度高的硬質(zhì)合金刀具，這類刀具在硬度、耐磨性以及使用壽命方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。然而，F(xiàn)DS技術(shù)路線中，粉末需要通過黏結(jié)劑黏合形成生壞，隨后需要進(jìn)行脫脂以去除黏結(jié)劑。這一過程中可能出現(xiàn)黏結(jié)劑殘留以及制件內(nèi)部中空的問題。此外，熱處理后制件還可能出現(xiàn)收縮現(xiàn)象[57]，從而對硬質(zhì)合金刀具的尺寸精度產(chǎn)生一定影響。

綜上所述，兩種技術(shù)路線在材料適用性、工藝流程以及最終產(chǎn)品性能方面各有優(yōu)勢，二者相輔相成，共同推動了增材制造技術(shù)的發(fā)展。

2增材制造硬質(zhì)合金刀具的優(yōu)化處理及 性能提升

2.1PBF技術(shù)路線的參數(shù)影響及優(yōu)化

在PBF技術(shù)路線中，打印前的參數(shù)準(zhǔn)備涉及多個環(huán)節(jié)，包括制粉、打印路徑優(yōu)化、激光能量調(diào)控和基板選擇等。零件的幾何形狀是通過逐層散布的粉末進(jìn)行固結(jié)實現(xiàn)的，這要求粉末必須滿足球形度和流動性的特定標(biāo)準(zhǔn)。圖13詳細(xì)展示了如何對制粉工藝和激光參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[58]。在SLM工藝中，通常使用 WC-20%Co 組成的復(fù)合粉末，然而，直接制備的粉末往往存在粒徑小和外形不規(guī)則等問題，無法直接用于SLM工藝。為解決這一問題，需要對粉末進(jìn)行噴霧干燥和預(yù)燒結(jié)等處理，其中噴霧干燥步驟尤為關(guān)鍵。通過這一流程，可以篩選出合適粒徑的粉末，對比處理前后的粉末性能，詳見表3。圖14展示了三種不同的掃描方式：條紋掃描、棋盤掃描和螺旋掃描[59]其中，條紋掃描是最常用的方式，由于其矢量長度有限，在熔化過程中熱分布更均勻；螺旋掃描則因其良好的熱傳導(dǎo)性而具有較小的殘余應(yīng)力，但該方法從中心到外部區(qū)域存在更明顯的熱梯度，中心區(qū)域的高溫可能會導(dǎo)致鈷的蒸發(fā)；棋盤掃描策略則是將打印平面劃分為多個小區(qū)域，以縮短對每個區(qū)域的掃描長度，這種方式能有效減小殘余應(yīng)力，減少孔隙缺陷，從而實現(xiàn)最高的打印密度。此外，加工過程中粉末與基板之間的潤濕性對最終零件的成形質(zhì)量[60]具有決定性影響。LIU等[61]研究了316L、Ni200和YG15（與 WC-15% Co成分類似）三種不同基板對SLM成形零件的影響。研究結(jié)果顯示，YG15材料基板的熔點較高，可能導(dǎo)致熔池中液相不足。相比之下，Ni200基板對 WC-17%Co 材料具有更好的潤濕性。在大范圍激光能量輸人的加工過程中，打印件與Ni基板之間黏結(jié)牢固，沒有發(fā)生分離，從而減少了裂紋的產(chǎn)生，確保了打印件的密度。SEBM則是在不同掃描速率和電子束電流組合下進(jìn)行的，不同掃描速率和電流值對碳化鎢樣品孔隙率的影響如圖15所示。圖15a顯示了恒定電流值下掃描速率對孔隙率的影響，而圖15b顯示了恒定掃描速率下電流值對孔隙率的影響?？梢钥闯?，兩條曲線均在某些電流值和掃描速率值組合下出現(xiàn)最低孔隙率的極值。此外，從圖15a中可以看出，在中低掃描速率值下，孔隙率相對較低，只有當(dāng)掃描速率高于 1500mm/s 時，孔隙率才會顯著增大[36]。

表3粉末處理前后性能對比[58]

在PBF技術(shù)的打印過程中，激光能量密度是一個關(guān)鍵參數(shù)，它反映了單位體積內(nèi)的能量輸人[62]。能量密度的計算公式為

式中： P 為激光/電子束的功率， W;v 為光束的掃描速度，mm/s;h 為掃描線的間距， mm;l 為粉末層的厚度， mm 。

能量密度對打印件的各項性能有著直接的影響，如果能量密度過低，將導(dǎo)致鈷熔化不充分，無法形成完整的液態(tài)相，導(dǎo)致碳化鎢晶粒與鈷的結(jié)合不完全，最終可能產(chǎn)生孔隙、裂紋等缺陷，降低打印件的密度[63]。相反，如果能量密度過高，液相燒結(jié)將不充分，這不僅直接影響碳化鎢顆粒的生長，還可能引發(fā)鈷的蒸發(fā)、碳化鎢的分解，甚至產(chǎn)生不必要的相（如 W₂C 和 W₂Co₄C）^[64] 。此外，過高的能量密度還會導(dǎo)致溫度梯度增大，增加制件開裂的風(fēng)險，因此，選擇合適的能量密度參數(shù)對減少裂紋和孔隙等缺陷、提高制件密度[65-66]至關(guān)重要。

2.2 FDS技術(shù)路線的參數(shù)影響及優(yōu)化

在FDS技術(shù)中，優(yōu)化流程主要集中在生壞成形、脫脂和燒結(jié)三個階段。在生坯成形階段，粉末的粒徑、體積密度和流動性等因素對制件質(zhì)量有著重要影響。此外，黏結(jié)劑的飽和度、干燥時間和粉層厚度也會顯著影響制件質(zhì)量。在制粉階段，確保原料粉末具有良好的流動性和體積密度至關(guān)重要。為了提高打印件的強度，可以適當(dāng)增加黏結(jié)劑的飽和度或降低粉層厚度，但這些調(diào)整可能會延長脫脂周期或打印時間[67-68]。因此，在實際操作中，需要根據(jù)具體工況來合理選擇黏結(jié)劑的飽和度和分層厚度，以實現(xiàn)最佳的打印效果。

在不同的增材制造工藝中，黏結(jié)劑的種類和添加方法也有所不同。在BJAM工藝中，黏結(jié)劑通過外部裝置添加到粉末原料中，并在一定溫度下固化形成生壞[69-70]。而在FFF和CEM等工藝中，黏結(jié)劑則是與硬質(zhì)合金粉末混合后作為原料，通過噴頭處的高溫直接熔化成形。因此，在選擇合適的黏結(jié)劑時，必須考慮具體的工藝流程，并據(jù)此設(shè)計相應(yīng)的脫脂工藝。ZHAO等[40]在EAM工藝中探討了粉末含量為 51% 和 57% 的金屬打印制件的性能表現(xiàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了金屬件的打印。打印完成后，必須從生坯中徹底去除黏結(jié)劑，否則可能會導(dǎo)致試樣變形或開裂等缺陷，因此脫脂工藝是必不可少的環(huán)節(jié)。脫脂過程分為兩個步驟：首先，在 40°C 的庚烷中浸泡以提取石蠟；接著，在純氬氣環(huán)境下進(jìn)行 500^°C 的高溫?zé)崦撝韵軇┟撝髿埩舻木酆衔?。JUCAN等[41]在IndirectSLS制造立銑刀的過程中，使用了WC-12% C。與不同質(zhì)量分?jǐn)?shù) （10%，13%，15% 和 20% ）的聚酰胺黏結(jié)劑均勻混合 ，為了去除黏結(jié)劑，在真空下進(jìn)行了 800^°C 的熱脫脂處理。在FFF和CEM這兩種工藝中，脫脂過程均通過溶劑脫脂和熱脫脂兩個步驟完成[42]。具體而言，F(xiàn)FF工藝中，樣品在 60^°C 的環(huán)己烷中浸泡 48～ ^72h 進(jìn)行脫脂；CEM工藝則是在 60^°C 的水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2% 的抑制劑混合液中脫脂 48～72h 。隨后，樣品在 70^°C 下干燥，然后在氫氣或惰性氣體中以 600～800° 的溫度進(jìn)行熱脫脂。

黏結(jié)劑去除后，制件通常會形成較多孔隙，然而，燒結(jié)過程能夠?qū)崿F(xiàn)材料的各向同性收縮，有效減少孔隙和裂紋，從而顯著提高制件的密度[71]在燒結(jié)過程中，顆粒之間的連接變得更加緊密。通過固態(tài)燒結(jié)、顆粒重排以及溶解再沉淀等多種致密化機制，制件的密度可以得到顯著提高[56]。在不同的制造工藝中，燒結(jié)條件也有所不同。在EAM工藝中，刀具在 1400°C 、純度為 99.99% 的氫氣環(huán)境中進(jìn)行燒結(jié)[40]；在Indirect SLS工藝中，立銑刀采用燒結(jié)-熱等靜壓熱處理，首先在1400°C 環(huán)境下燒結(jié)，隨后在 1400^°C.5MPa 的氬氣環(huán)境中進(jìn)行熱等靜壓處理[41]。FFF和CEM兩種工藝則均是在氮氣環(huán)境中將溫度提高至 1480°C 進(jìn)行燒結(jié)[42]。WOLFE等[43]對BJAM工藝中燒結(jié)溫度進(jìn)行了探究，在 1435～1485° 下對制件進(jìn)行燒結(jié)，隨后在 5MPa 壓力下進(jìn)行熱等靜壓處理，燒結(jié)時間為 30min ，熱等靜壓時間為 5min 。

2.3 熱處理

增材制造過程完成并不等同于產(chǎn)品的最終完成，其熱處理環(huán)節(jié)同樣占據(jù)著舉足輕重的地位[72]。熱處理與燒結(jié)有著明顯的不同，燒結(jié)的工藝對象主要是粉末材料，是一種將粉末材料轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅荏w的工藝過程。在高溫高壓下，粉末材料通過相互鍵聯(lián)和晶粒長大，使得空隙（氣孔）和晶界逐漸減少，形成具有特定顯微結(jié)構(gòu)的致密多晶燒結(jié)體。這一過程不僅改變了粉末材料的物理形態(tài)，還顯著影響了其顯微結(jié)構(gòu)和性能。而熱處理的工藝對象則是已經(jīng)成形的制件，通過加熱和冷卻處理，改變材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，使其更加致密和均勻。通過熱處理能夠進(jìn)一步提高刀具的硬度、強度、韌性、耐腐蝕性等，從而確保刀具在實際切削過程中具有優(yōu)異的性能[73-75]。然而，在硬質(zhì)合金刀具增材制造領(lǐng)域中，燒結(jié)與熱處理往往相互補充，結(jié)合使用，可共同促進(jìn)硬質(zhì)合金刀具制件性能的提高。

熱處理是一個精細(xì)的過程，主要包括加熱、保溫和冷卻三個關(guān)鍵步驟[76]。首先，將硬質(zhì)合金刀具制件加熱至適宜的溫度范圍，通常在 800～ 1000°C 之間。這個溫度范圍是根據(jù)硬質(zhì)合金的材料特性確定的。加熱過程中要確保溫度均勻上升，以避免材料內(nèi)部產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力。其次，在達(dá)到所需溫度后，將制件保持在該溫度下一段時間，使材料內(nèi)部組織發(fā)生充分的轉(zhuǎn)變，保溫時間的長短取決于材料的種類和厚度。最后，經(jīng)過保溫后，制件需要以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，冷卻速度對最終制件的性能有很大影響，過快的冷卻速度可能導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，而過慢的冷卻速度則可能影響制件的硬度和耐磨性，需要根據(jù)具體情況選擇合適的冷卻方式和速度。

常用的熱處理方式包括真空燒結(jié)[7、熱壓[78]和熱等靜壓[79]等。真空燒結(jié)是一種特殊的熱處理方式，在密閉的真空環(huán)境中進(jìn)行，這種環(huán)境可以是低真空、中等真空、高真空或超高真空。在這種條件下，初始態(tài)WC和共晶狀態(tài)WC-Co能夠在較低的溫度下開始溶解，并通過原子的重新排列形成更為致密和均勻的組織結(jié)構(gòu)。在這一過程中，材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力得到有效消除，同時裂紋和孔隙等缺陷也會顯著減少，從而實現(xiàn)對材料的無氧化、無脫碳、無滲碳處理，同時還能去掉制件表面的雜質(zhì)，達(dá)到表面光亮凈化的效果。熱壓是一種在加熱的同時施加壓力的熱處理技術(shù)，在熱壓過程中，材料在高溫和高壓的作用下發(fā)生塑性變形，使得內(nèi)部的顆粒間距離減小，孔隙被壓縮，從而提高材料的密度和強度。熱等靜壓結(jié)合了高溫和高壓的作用，在制件的各個方向上施加均勻的壓力。在熱等靜壓過程中，剩余的微小缺陷如殘余孔隙、裂紋等會在高溫和高壓的共同作用下逐漸坍塌，從而進(jìn)一步提高制件的質(zhì)量和性能。燒結(jié)-熱等靜壓[80]結(jié)合了真空燒結(jié)和熱等靜壓兩種方式的優(yōu)點，首先通過真空燒結(jié)消除殘余應(yīng)力和減少缺陷，然后通過熱等靜壓進(jìn)一步提高制件的密度和均勻性。關(guān)于兩類技術(shù)路線在硬質(zhì)合金刀具增材制造中的熱處理工藝如表4所示。

3總結(jié)與展望

本文系統(tǒng)性地概述了硬質(zhì)合金刀具增材制造工藝的兩類技術(shù)路線。其一是基于熱成形的PBF技術(shù)路線，該技術(shù)利用高能激光或電子束作為熱源，選擇性地?zé)Y(jié)或熔化粉末，通過逐層累積構(gòu)建出三維實體部件。其二是基于生坯冷打印、脫脂和燒結(jié)工藝的FDS技術(shù)路線，該技術(shù)通過冷打印成形生壞，再經(jīng)脫脂和燒結(jié)，最終制得三維實體部件。本文深入闡述了這兩種技術(shù)路線的核心原理，系統(tǒng)梳理了它們在硬質(zhì)合金刀具增材制造方面的最新研究進(jìn)展，并全面總結(jié)了兩類技術(shù)路線在該領(lǐng)域中的特點。鑒于這兩種技術(shù)路線存在各自的缺陷，PBF技術(shù)易產(chǎn)生孔隙、開裂、非平衡相、脫碳相等冶金缺陷，且樣品易發(fā)生晶粒不均勻長大，以及脫碳、化學(xué)失衡、鈷蒸發(fā)、在凝固和熔化過程中形成不期望的化合物等問題，F(xiàn)DS技術(shù)則存在脫脂黏結(jié)劑殘留、制件收縮等問題，本文進(jìn)一步深人探究了這兩大技術(shù)路線在硬質(zhì)合金刀具性能優(yōu)化與提升方面的應(yīng)用策略。針對PBF技術(shù)路線，本文著重分析了粉末制備[81]、打印路徑規(guī)劃、激光能量控制等關(guān)鍵參數(shù)的影響；而對于FDS技術(shù)路線，則聚焦于生壞成形、脫脂處理和燒結(jié)過程等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，特別是黏結(jié)劑的選擇與脫脂工藝對最終制件質(zhì)量的影響。此外，本文還通過具體案例展示了不同技術(shù)路線下硬質(zhì)合金刀具在熱處理過程中的差異及相應(yīng)的優(yōu)化。

增材制造技術(shù)在硬質(zhì)合金刀具領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力與廣闊前景。隨著這項技術(shù)的持續(xù)精進(jìn)與日益完善，它不僅為硬質(zhì)合金刀具的設(shè)計與制造領(lǐng)域注人了新的創(chuàng)新活力，還極大促進(jìn)了相關(guān)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化升級。立足于當(dāng)前的技術(shù)進(jìn)展及市場需求，關(guān)于PBF技術(shù)路線和FDS技術(shù)路線在增材制造硬質(zhì)合金刀具領(lǐng)域的未來展望，可以歸納為如下幾點：

1）PBF技術(shù)將進(jìn)一步優(yōu)化激光功率、掃描速度、層厚等關(guān)鍵工藝參數(shù)，以實現(xiàn)更精細(xì)化的加工控制，減少脫碳、鈷蒸發(fā)等不利現(xiàn)象，提高硬質(zhì)合金刀具的致密度和力學(xué)性能。

2）隨著CAD/CAM技術(shù)和流體動力學(xué)仿真的進(jìn)步，PBF技術(shù)將能夠更輕松地實現(xiàn)具有復(fù)雜幾何形狀（如雙螺旋式冷卻通道）的硬質(zhì)合金刀具制造，滿足高端制造領(lǐng)域的需求[82]

3）探索納米復(fù)合硬質(zhì)合金、梯度硬質(zhì)合金等新型高性能硬質(zhì)合金材料的應(yīng)用，以進(jìn)一步提高刀具的硬度、耐磨性和韌性。

4）深入探究PBF加工過程中硬質(zhì)合金的殘余應(yīng)力形成及變形機理，開發(fā)有效的應(yīng)力緩解和變形控制技術(shù)，確保制造出無裂紋、高致密（2 （≥99% ）的硬質(zhì)合金刀具[83]。

5）針對FDS技術(shù)路線中脫脂碳?xì)埩?、孔隙率降低等問題，研究更高效的脫脂工藝和燒結(jié)參數(shù)，減少工藝流程中的缺陷，提高刀具的致密度和表面質(zhì)量[84]

6）開發(fā)新型黏結(jié)劑，優(yōu)化黏結(jié)劑的熔融-填充- 凝固機理，確保生壞在脫脂過程中保持完整性和 均勻性，減少裂紋和孔隙的產(chǎn)生。

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（編輯 王艷麗）