自1923年德國工程師Karl Schr?ter基于液相燒結工藝制備出WC-Co硬質合金以來，歷經一個世紀的發展，如今各類成分與結構的硬質合金已在精密加工刀具、模具以及耐磨零部件等領域廣泛應用，有力地推動了眾多工業與科學領域的進步。然而，傳統粉末冶金工藝在制造具有復雜幾何形狀和含內孔結構的硬質合金零件時，存在固有的局限，極大限制了設計的靈活性。這使得開發先進的硬質合金增材制造技術，成為當前亟待推進的重要研究方向。經過十多年的高速發展，兩大類硬質合金增材制造技術應運而生，即基于高能束流的增材制造（Beam-based Additive Manufacturing, BBAM）和基于燒結的增材制造（Sinter-based Additive Manufacturing, SBAM），均展現出了廣闊的應用前景，但也存在一些急需突破的瓶頸問題。

圖1硬質合金發展過程中的歷史里程碑：重大創新與影響

近日，北京工業大學宋曉艷教授、王海濱教授和溫州宏豐電工合金股份有限公司Mehrdad Zarinejad博士等，在綜述類國際TOP期刊International Materials Reviews(IF=15.5)發表了題為“Additive manufacturing of cemented carbides: Differences between beam-based and sinter-based technologies”的綜述文章。該文系統比較了典型的BBAM工藝（如選區激光/電子束熔化，SLM/SEBM）和SBAM工藝（如粘結劑噴射/材料擠出成形，BJT/MEX）制備硬質合金零件的宏觀形貌、組織均勻性、相組成演變規律、晶粒生長行為、缺陷形成機理（包括孔洞、裂紋和收縮）與力學性能。通過微觀組織與性能的比較，對兩類工藝的優勢和不足進行了綜合分析，提出這兩種方法在硬質合金增材制造領域具備良好的互補性，未來的研究應聚焦于增材制造工藝和粉末的適配性，以減少缺陷、提高尺寸精度，并提升所制備硬質合金的力學性能，尤其是強度。

全文鏈接：

https://doi.org/10.1177/09506608251382364

BBAM方法，包括選區激光熔化、選區電子束熔化和直接能量沉積，屬于高溫直接成形工藝，依靠高能束流實現粉末快速熔化凝固，無需制備生坯，成型流程簡便，零件尺寸精度高、成型收縮率小，可制備帶有復雜內部結構的異形硬質合金構件。但該工藝冷卻速率過快，易引發碳和鈷的損失、非平衡相析出等問題，極易產生殘余應力、孔隙及裂紋等缺陷，造成微觀組織不均勻，尤其是WC晶粒呈現細晶和超粗晶交替分布特征，進而導致材料力學性能下降，且通常需要后處理工藝來進一步減少成形缺陷。相比之下，SBAM技術，包括粘結劑噴射、材料擠出和熔融沉積成型等，屬于常溫生坯成型搭配脫脂、燒結的間接制備工藝，成形產生的微觀結構與傳統粉末冶金工藝相似，參數優化后缺陷更少。SBAM可能會產生層間裂紋，通過優化工藝可減少此類缺陷，其主要挑戰在于控制燒結過程中的殘余碳含量并實現均勻收縮。

由于微觀組織不均勻和孔隙的存在，即使經過工藝優化，BBAM制備WC-Co硬質合金的硬度和強度仍然難以達到與傳統粉末冶金工藝相當的水平。相比之下，SBAM工藝獲得硬質合金由于密度更高、均勻性更好，其力學性能接近于傳統粉末冶金工藝制備硬質合金。雖然SBAM工藝可獲得高的韌性和強度，但BBAM工藝在尺寸精度和成形復雜幾何形狀方面更具優勢。BBAM更適合制造小型、高硬度、耐磨的零件，而SBAM更適合制造需要更高強度和性能一致性的大型、不規則零件。兩者具有互補性，但仍需進一步減少缺陷，提升工藝可靠性。

圖2 采用BBAM方法（a-c）和SBAM方法（d-i）制備WC-Co硬質合金零件的宏觀形貌比較：基于BBAM直接成型硬質合金零件在熱處理前后均展現出更清晰的形狀細節，與SBAM工藝相比，零件收縮率顯著降低

圖3 基于選區激光熔化（a-c）、電子束熔化（d,e）和粘結劑噴射（f,g）工藝制備WC-Co硬質合金的典型微觀結構：（a）三維光學顯微鏡圖像；（b）WC細晶區與粗晶區界面的光鏡圖像；（c）WC晶粒的雙峰分布；（d,e）層狀不均勻微觀結構的SEM圖像；（f）脫脂和燒結后WC晶粒（平均尺寸約6 μm）在Co中均勻分布的光鏡圖像；（g）微觀組織不均勻的光鏡圖像，主要由中等尺寸的WC晶粒（1.4～2.0 μm）和尺寸約20 μm的粗晶粒團簇組成

圖4 基于粘結劑噴射成形和燒結制備WC-Co硬質合金的微觀組織與元素分析：(a) 掃描電鏡顯微形貌；(b) 能譜面掃描分析；(c) 能譜線掃描分析結果（wt%），其中左側試樣的干燥時間30 s、粘結劑飽和度175%，右側試樣的干燥時間45 s、粘結劑飽和度225%，所有試樣均經1435 ℃ 燒結-熱等靜壓處理

圖5 基于BBAM和SBAM工藝制備WC-Co硬質合金的（a）硬度、（b）斷裂韌性與通過粉末冶金工藝制備典型硬質合金性能（數據源自Sandvik公司）的比較

主要結論

（1）微觀組織與缺陷特征：高能束增材制造工藝（SLM、SLS、SEBM、DED）冷卻速率極快，易誘發非平衡相生成，同時造成碳、鈷元素損耗及微觀組織不均，形成WC晶粒細化與異常粗化交替分布的組織特征，構件殘余應力高、脆性增大；相比之下，燒結型增材制造工藝（BJT、MEX、FDM）成形組織與傳統粉末冶金相近、均勻性良好，在工藝參數優化條件下，內部缺陷顯著更少。

（2）缺陷形成機制：高能束增材制造硬質合金受劇烈熱循環與熱量分布不均影響，易產生孔隙與裂紋缺陷，其中孔隙與激光能量密度密切相關，裂紋則主要源于熱膨脹失配與殘余應力；燒結型增材制造雖易出現層間裂紋，但可通過工藝優化有效抑制，其核心難點在于燒結過程中殘余碳含量控制與均勻收縮調控。

（3）力學性能：受微觀組織不均與孔隙缺陷影響，即使經過參數優化，高能束增材制備的WC-Co硬質合金硬度與強度仍偏低；而燒結型增材制造構件致密度更高、組織均勻性更好，力學性能可與傳統粉末冶金工藝媲美，其斷裂韌性與強度優于高能束增材制造硬質合金。

（4）工藝適用場景：燒結型增材制造硬質合金在韌性與強度上更具優勢，高能束增材制造則在尺寸精度與復雜結構成形方面更突出；高能束工藝適用于小型、高硬度、耐磨類零件，而燒結型工藝更適合大尺寸、異形且對強度與性能一致性要求高的構件。兩類工藝優勢互補，但仍需進一步優化，以實現缺陷精準控制與工藝穩定性提升。

未來研究方向

（1）基于高能束流的增材制造：開發配備激光/電子束處理過程中實時溫度監測和反饋系統的創新型3D打印設備至關重要。此類系統能夠智能優化參數，避免粉末過熱或熔化不足，從而減少打印后的微觀結構缺陷。此外，優化原料粉末成分和顆粒微觀結構，并結合激光參數調控和后處理，對于抑制WC晶粒異常生長（BBAM直接打印中的持續挑戰）至關重要，可緩解BBAM打印硬質合金中超粗WC晶粒在應力下發生穿晶斷裂的趨勢。在成型過程中引入納米級增強相是提高其性能的有前景的策略。

（2）基于燒結的增材制造：在保持高性能的同時，應著重開發能夠實現更高成型精度的方法。這將有助于克服粘結劑噴射和基于擠出的3D打印工藝中噴嘴尺寸對打印精度的限制。同時，減少有機粘結劑含量將減輕殘余碳對強度的不利影響以及燒結過程中過大的尺寸收縮（這會導致與設計模型的尺寸偏差）。此外，隨著初始粉末粒徑接近超細尺度，仍需進一步研究和開發適用于SBAM制備硬質合金的成形劑和工藝參數，以改善生坯成型性并提高最終燒結零件的力學性能。

（3）集成AI的BBAM和SBAM：包括機器學習和大語言模型方法在內的人工智能（AI）技術的應用，對于提高增材制造硬質合金零件的成型精度和性能具有巨大潛力。首先，AI驅動的方法在高性能硬質合金系統的材料成分設計中非常有效。其次，AI算法可根據功能需求自動優化3D模型設計，實現輕量化、復雜幾何形狀和高強度結構的高效創建。值得注意的是，智能模型設計能力可補償SBAM處理零件中顯著的尺寸收縮差異。通過集成計算機視覺和深度學習，AI能夠在打印過程中實時檢測結構缺陷（如裂紋、未熔合孔洞），并允許動態調整參數和掃描策略，以減少缺陷。此外，AI將加速發現能夠提高熔體成核速率的元素/化合物添加劑，從而抑制BBAM制備硬質合金中的晶粒異常粗化。

王海濱，北京工業大學材料學院教授、博士生導師，國家級青年人才，主要從事高強韌、耐磨蝕硬質合金材料研制與應用工作。主持國家重點研發計劃青年科學家項目、國家自然科學基金、北京市自然科學基金等10余項科研攻關項目。在Acta Mater.、Corros. Sci.、Compos. Part B-Eng.等期刊上發表SCI檢索論文130余篇，授權/公開國家發明專利50余件，獲得北京市技術發明獎二等獎、IFAM優秀青年科學家獎、中國有色金屬學會優秀科技成果獎。受邀在“中國硬質合金70周年特邀學術報告會”等行業重要會議上作大會特邀報告，擔任硬質合金相關會議分會主席等10余次。兼任中國金屬學會粉末冶金分會委員、北京機械工程學會粉末冶金分會委員、國際粉末冶金大會“難熔與硬質材料”分會召集人；《硬質合金》、《粉末冶金技術》、《Composite Functional Materials》等期刊編委。

北京工業大學宋曉艷教授研究團隊多年來致力于具有穩定高性能的合金微結構設計與制備調控，形成了“合金納米組織結構穩定性基礎研究”與“工程應用”緊密結合的發展主線和學術特色。團隊主持國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點、德國研究聯合會基金(DFG)、北京市自然科學基金重點等項目以及多項企業委托攻關項目，成果獲得省部級科技進步獎一等獎 1 項、自然科學獎二等獎 3 項、技術發明獎二等獎1項；授權和公開國際、國內發明專利100余項，高性能硬質合金規模化制備技術落地企業實現重大成果轉化；于Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Acta Mater.等期刊發表SCI論文400余篇、軟件著作權9項，在國際國內學術會議上作大會/主旨/邀請報告90余次。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

近期學術會議推薦

，6.3-5

，5.29

歡迎留言，分享觀點。點亮?