Wydrukowali ekstremalnie twardy metal. Tego jeszcze nie było
Są materiały tak twarde, że świetnie sprawdzają się w narzędziach przemysłowych, ale jednocześnie wyjątkowo źle znoszą wszelkie próby formowania. Właśnie do tej grupy należy węglik wolframu z kobaltem. Naukowcy udowodnili jednak, że taki materiał można osadzać metodą druku 3D bez utraty twardości.
WC-Co, bardzo często nazywany węglikiem spiekanym, nie jest zwykłym metalem w potocznym sensie. To materiał kompozytowy, w którym bardzo twarde ziarna węglika wolframu są połączone kobaltem działającym jak lepiszcze. Taka kombinacja daje wyjątkową odporność na ścieranie i wysoką twardość, dlatego od lat wykorzystuje się ją w ostrzach skrawających, narzędziach do obróbki, elementach dla budownictwa i tam, gdzie powierzchnia musi długo znosić brutalny kontakt z innym materiałem. Właśnie ta ekstremalna twardość sprawia zarazem, iż WC-Co jest wyjątkowo trudny do kształtowania.
To prowadzi do starego przemysłowego paradoksu. Materiał jest fantastyczny tam, gdzie trzeba ciąć, wiercić albo wytrzymywać tarcie, ale jego produkcja bywa kosztowna, materiałochłonna i mało elastyczna. Im trudniej coś uformować, tym trudniej też robić z tego części o bardziej złożonej geometrii bez dużych strat surowca. A tutaj surowce nie są tanie – chodzi przecież o wolfram i kobalt, czyli składniki cenne i strategicznie ważne dla przemysłu.
Dziś taki materiał robi się metodą, która jest skuteczna, ale nie jest idealna
Klasyczna droga produkcji WC-Co to metalurgia proszków. Najpierw odpowiednie proszki węglika wolframu i kobaltu są prasowane pod wysokim ciśnieniem, a później spiekane, czyli podgrzewane tak, by utworzyły zwarty, bardzo twardy materiał.
Taka metoda daje świetne własności końcowe, ale ma swoją cenę: zużywa dużo drogiego wsadu, generuje straty i nie jest szczególnie wdzięczna, gdy trzeba wytwarzać kształty bardziej skomplikowane niż standardowe wkładki czy proste formy. Obecny proces jest więc kosztowny i mało wydajny w stosunku do uzyskanego efektu.
Właśnie dlatego pomysł użycia w tym obszarze druku 3D jest tak kuszący. W produkcji addytywnej materiał trafia tylko tam, gdzie naprawdę jest potrzebny. To oznacza mniejszy odpad, większą swobodę projektową i potencjalnie łatwiejsze wykonywanie geometrii, które klasycznymi metodami byłyby niewygodne lub drogie. Problem polega na tym, że bardzo twarde materiały źle reagują na wiele znanych technik addytywnych. Albo pękają, albo tracą swoje właściwości, albo pojawiają się w nich niechciane fazy i defekty mikrostruktury.
Japoński zespół nie chciał materiału stopić. Chciał go tylko odpowiednio zmiękczyć
Tu właśnie pojawia się najciekawszy element nowej pracy. Zespół Keity Marumoto nie postawił na klasyczną logikę pełnego przetopienia materiału wiązką lasera. Zamiast tego wykorzystał tzw. naświetlanie laserowe z użyciem drutu podgrzewanego.
Taki układ zwiększa szybkość osadzania materiału i poprawia sprawność procesu, ale najważniejsze jest coś innego: pozwala formować strukturę przez kontrolowane zmiękczenie, a nie przez brutalne całkowite roztopienie wszystkiego.
Kiedy taki materiał, jak WC-Co jest w pełni topiony, bardzo łatwo zepsuć to, co czyni go wartościowym, a mianowicie rozkład faz, kształt ziaren, twardość i integralność struktury. Jeśli jednak uda się znaleźć warunki, w których układ da się osadzać bez pełnego wyzerowania jego mikrostruktury, otwiera się droga do produkcji addytywnej materiałów, które wcześniej wydawały się zbyt kapryśne dla takiej technologii.
Badacze przetestowali dwie drogi i obie początkowo miały swoje problemy
W pracy opisano dwa warianty procesu. W pierwszym pręt z materiałem WC-Co prowadził kierunek budowy, a laser oświetlał górną część tego układu. W drugim to laser prowadził proces, kierując energię między dolną część pręta WC-Co a żelazne podłoże. W obu przypadkach celem było osadzanie materiału tak, by nie doprowadzić do pełnego zniszczenia jego pożądanej struktury.
Szybko okazało się jednak, że sama zmiana filozofii procesu nie wystarczy. W wariancie z prętem prowadzącym pojawił się rozkład WC w górnej części narastającej struktury, a to prowadziło do defektów w gotowym materiale. Z kolei wariant prowadzony przez laser miał problem z utrzymaniem twardości na poziomie, który można by uznać za sukces przemysłowy. Krótko mówiąc, pomysł był dobry, ale materiał nadal wymagał bardzo precyzyjnego ułożenia warunków.
Przełomem okazała się warstwa pośrednia z niklu i bardzo wąskie okno temperatury
Rozwiązanie przyszło z dwóch stron jednocześnie. Po pierwsze, badacze wprowadzili pośrednią warstwę opartą na stopie niklu. Po drugie, bardzo pilnowali warunków termicznych: temperatura musiała być wyższa od temperatury topnienia kobaltu, ale niższa od progu, przy którym dochodzi do niekorzystnego rozrostu ziaren. To właśnie taka kombinacja pozwoliła otrzymać materiał bez defektów i bez rozkładu WC, a jednocześnie zachować jego przemysłowo istotną twardość.
Zespół uzyskał twardość przekraczającą 1400 HV. Skala Vickersa opisuje odporność materiału na wciskanie wgłębnika, więc im wyższa wartość, tym trudniej materiał odkształcić. Poziom ponad 1400 HV to wynik bardzo wysoki, charakterystyczny dla jednych z najtwardszych materiałów używanych w przemyśle. Sama uczelnia podkreśla, że mówimy o klasie materiałów ustępującej już właściwie tylko substancjom supertwardym, takim jak szafir czy diament.
To może być ogromny przełom dla przemysłu
Taki proces pozwalałby osadzać ultratwardy materiał tylko tam, gdzie jest naprawdę potrzebny. To szczególnie ważne w przypadku narzędzi i form, gdzie najdroższa i najbardziej odporna warstwa nie musi wypełniać całego elementu. Czasem wystarczy odpowiednio dowieźć ją na krawędź tnącą, powierzchnię roboczą albo newralgiczny fragment formy. Produkcja addytywna daje szansę na właśnie takie podejście, a więc na mniejsze zużycie wolframu i kobaltu oraz bardziej racjonalne gospodarowanie materiałem.
Przeczytaj także:
Drugi zysk to geometria. Klasyczne procesy dobrze radzą sobie z elementami prostszymi i standaryzowanymi, ale im bardziej skomplikowany kształt, tym większa pokusa, by szukać metod addytywnych. Jeśli WC-Co da się naprawdę drukować bez utraty jego najważniejszych cech, otwiera to drogę do bardziej złożonych części odpornych na zużycie, a nie tylko do prostych wkładek czy końcówek. To z kolei może być interesujące dla branż, które łączą wysoką odporność materiałową z potrzebą nietypowych kształtów – od specjalistycznych narzędzi po niektóre elementy formujące.
