基于水基浆料的WC-8Co硬质合金直接墨水书写技术

《International Journal of Refractory Metals and Hard Materials》：Aqueous-slurry-based direct ink writing for WC-8Co cemented carbide

　　

Xiao-Fei Li|Dang Xu|Jun Liao|Peng-Qi Chen|Ji-Gui Cheng|Ying-Wei Lu

中国安徽省合肥市230009，合肥工业大学材料科学与工程学院

摘要

在制造研究领域中，硬质合金的增材制造技术正逐渐受到更多关注。在各类增材制造技术中，直接墨水书写技术因其操作简单、无需激光系统以及可在室温下进行加工而备受瞩目。然而，如何控制高固含量WC-Co水基浆料的流变性能并实现烧结致密化，仍是制约该技术广泛应用的关键难题。本研究以去离子水为溶剂，通过优化添加剂种类和比例，制备出了固含量为92%且流变性能适合直接墨水书写技术的WC-8Co水基浆料。通过对打印得到的生坯进行脱粘处理和烧结后，其相对密度可达98.55%，硬度为1825±29 HV₃₀。这些优异的性能得益于其精细的微观结构，即均匀的亚微米级颗粒（0.57±0.01μm）以及极低的孔隙率，这充分证明了通过水基直接墨水书写技术制备高性能WC-8Co硬质合金的可行性。

引言

WC-Co硬质合金是一种由硬质WC颗粒嵌入软质Co基体中所构成的复合材料，通常通过粉末冶金法制备。由于其超硬特性，长期以来一直备受机械加工领域的重视[1]、[2]、[3]。目前常用的成型方法主要是模压或金属注射成型，这两种方法成本相对较低。但它们仍然依赖于复杂且昂贵的模具，难以加工出具有复杂内部通道、空心结构或复杂轮廓的零件。而增材制造技术，也就是人们常说的3D打印技术，则为制造结构极为复杂的硬质合金零件开辟了全新途径。该技术基于逐层堆积原理，通过逐层添加材料来构建部件，因此完全无需使用模具[4]、[5]、[6]。

对于WC-Co硬质合金的3D打印，主要有两种技术路线：基于热成型的粉床熔融技术，以及基于生坯冷成型后再进行脱粘和烧结的成型-脱粘-烧结技术[5]。其中，粉床熔融技术需要外部能源，比如选择性激光烧结和选择性激光熔化技术中的激光，或是选择性电子束熔化技术中的电子束，用以选择性熔合粉末层，从而能够高效地制造出相对密度高达98.8%的零件[7]。不过，其快速的热循环过程可能导致温度梯度过大，进而引发各种微观结构缺陷，如易碎的η相形成、孔隙存在、裂纹、晶粒不均匀以及层间脱粘等问题[8]。此外，粉床熔融技术还需要较高的资金和能源投入，且需要具有特定光吸收或热吸收特性的专用粉末，由于部分区域烧结时需整个粉末床都参与，材料利用率较低。虽然粉末回收利用看似有前景，但重复使用的粉末在不同批次之间可能存在差异，从而影响烧结后的微观结构，进而降低零件的性能。

相比之下，成型-脱粘-烧结技术则为WC-Co硬质合金的3D打印提供了一种无需外部高能量的替代方案[5]。在该技术路线中，直接墨水书写技术表现出了极大的应用潜力。与需要加热喷嘴以较高温度挤出材料的熔融沉积建模技术不同，直接墨水书写技术可在室温下工作，从而显著降低能耗[9]、[10]。此外，与依赖有机溶剂的粘结剂喷射增材制造技术和三维凝胶打印技术不同，直接墨水书写技术可以使用水基体系[11]。这些优势不仅使得直接墨水书写技术更具成本效益，还提升了其环保性。尽管目前已有研究人员使用有机体系通过直接墨水书写技术制备WC-8Co生坯，但其所能达到的最高固含量仅为91%[12]。

在本研究中，通过优化添加剂的种类和浓度，以去离子水为溶剂，成功制备出了固含量为92%且流变性能良好的WC-8Co水基浆料。经过直接墨水书写、脱粘处理和烧结后，所获得的WC-8Co合金表现出优异的力学性能，其相对密度为98.55%，硬度为1825±29 HV₃₀。

章节节选

化学品与试剂

本研究所使用的WC粉和Co粉由自贡硬质合金有限公司提供，其粒径分布如图1所示。本研究从麦克林生化科技有限公司选取了三种分散剂，即柠檬酸铵、聚丙烯酸和聚乙烯吡咯烷酮，同时还使用了增塑剂聚乙二醇。这些试剂均为分析级，无需进一步纯化即可直接使用。

浆料制备

WC粉和Co粉被

流变性能与浆料配方

图3a展示了WC浆料和WC-8Co浆料的粘度随固含量的变化情况。可以看出，随着固含量的增加，两种浆料的粘度都会逐渐上升，这是因为颗粒间距减小，颗粒间的相互作用增强所致。值得注意的是，在相同的固含量下，WC-8Co浆料的粘度始终高于纯WC浆料。此外，WC-8Co浆料所能达到的最高固含量为

结论

通过优化添加剂，成功制备出了固含量为92%的水基WC-8Co浆料，该浆料既具有剪切变稀特性，又具备较长的稳定性，非常适合用于直接墨水书写加工。经过脱粘处理和烧结后，打印得到的零件的相对密度为98.55%，硬度为1825±29 HV₃₀，这一性能与传统粉末冶金工艺制备的硬质合金相当，不过其抗弯强度有所下降，原因可能在于

作者贡献说明

Xiao-Fei Li：论文撰写——初稿撰写、实验研究、数据整理。Dang Xu：方法设计、数据分析、数据整理。Jun Liao：资源提供、方法设计。Peng-Qi Chen：论文撰写——审阅与编辑、方法设计、数据分析。Ji-Gui Cheng：论文撰写——审阅与编辑、资源提供、方法设计、数据分析。Ying-Wei Lu：论文撰写——审阅与编辑、项目监督、资金筹措、概念构思。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。