摘要 3D 凝膠打印 (3DGP) 是一種新穎的制造技術(shù)，它通過(guò)逐層沉積和凝膠化金屬漿液來(lái)構(gòu)建 3D 組件。本文采用 3DGP 直接形成固含量為 47-56 vol% WC-20Co 的甲基丙烯酸羥乙酯 (HEMA) 基漿料，然后在真空烘箱中進(jìn)行燒結(jié)。 WC-20Co 漿料表現(xiàn)出合適的流動(dòng)和剪切稀化行為，這有利于 3DGP 成型工藝。研究了3DGP加工參數(shù)（如打印內(nèi)徑和填充率）對(duì)打印毛坯表面粗糙度和尺寸精度的影響。研究了固體負(fù)載對(duì)WC-20Co漿料流變性能、燒結(jié)密度、燒結(jié)密度和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，樣品可以打印出良好的形狀，具有適當(dāng)?shù)木群途鶆虻奈⒂^結(jié)構(gòu)。燒結(jié)樣品具有良好的形狀保持性和均勻的微觀結(jié)構(gòu)。最佳樣品密度、硬度和橫向斷裂強(qiáng)度分別為13.55 g/cm3、HRA 87.7和2612.8 MPa。 3DGP在復(fù)雜形狀WC-20Co元素的近凈成形方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。一、介紹WC-Co硬質(zhì)合金由嵌入連續(xù)Co基體中的硬質(zhì)WC顆粒組成，是最重要的金屬基復(fù)合材料之一?，F(xiàn)已廣泛用作鉆削刀具、沖壓模具、耐磨件和其他特殊零件。由于 WC 顆粒的不熔性，硬質(zhì)合金通常使用粉末冶金 (PM) 工藝生產(chǎn)，其中 WC-Co 粉末壓塊的液相燒結(jié)發(fā)生。產(chǎn)品的形狀復(fù)雜性受到模具結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重限制。此外，由于WC-Co硬質(zhì)合金的高硬度和強(qiáng)韌性能，WC-Co硬質(zhì)合金的加工難度較大。使用傳統(tǒng)方法制備復(fù)雜形狀的硬質(zhì)合金零件是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，適用于制造近凈形狀和復(fù)雜零件的增材制造 (AM) 技術(shù)已被開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于多種金屬材料的生產(chǎn)，如如不銹鋼、鈦、鈦合金和鋁合金 (SLM)。直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）、電子束熔煉（EBM）等是典型的主流技術(shù)。激光工程網(wǎng)絡(luò)成型 (LENS) 可以生產(chǎn)復(fù)雜形狀和幾乎完全致密的零件。在這些增材制造工藝中，金屬粉末通過(guò)激光/電子束逐層選擇性地分層，直到零件制成。然而，關(guān)于 WC-Co 硬質(zhì)合金的增材制造的研究很少。首先，WC-Co硬質(zhì)合金由WC顆粒和Co基體材料組成，兩種材料的熔點(diǎn)相差很大。當(dāng)WC-Co粉末被加熱到Co的熔點(diǎn)時(shí)，WC顆粒保持固態(tài)；粉末被進(jìn)一步加熱，Co 開(kāi)始蒸發(fā)。部分熔化會(huì)降低產(chǎn)品的密度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一些研究人員嘗試添加一些粘合劑，例如低熔點(diǎn)金屬。顧等人。將Cu粉和WC-10Co粉以60:40的重量比混合，使用DMLS制造50 mm×10 mm×9 mm的樣品。由于含有大量的Cu，該樣品的相對(duì)密度達(dá)到了94.3%。其次，這些粉末床熔融技術(shù)對(duì)所用粉末有一定的要求。在 SLM 和 EBM 工藝中，金屬粉末通過(guò)輥?zhàn)觽鞑ィ?DMLS 和 LENS 通常配備同步送粉系統(tǒng)。為了獲得均勻且薄的粉末層，兩種粉末進(jìn)料類(lèi)型都需要具有良好流動(dòng)性的細(xì)粉末和球形粉末。商業(yè)上不規(guī)則形狀的 WC-Co 粉末不符合這些要求。此外，激光/電子束加熱和冷卻（即燒結(jié)過(guò)程）非常快。只有少數(shù) WC 顆粒可以溶解到液相中。不完全燒結(jié)可能會(huì)降低產(chǎn)品性能。最后，上述技術(shù)需要高真空或惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)，成本高且涉及鈷的脫碳和蒸發(fā)。熊等人。發(fā)現(xiàn)粉末原料中沒(méi)有足夠的游離碳來(lái)補(bǔ)償 LENS 過(guò)程中發(fā)生的碳損失。雖然上述技術(shù)可以生產(chǎn)許多復(fù)雜的零件，但它們可能不適合生產(chǎn) WC-Co 硬質(zhì)合金。為了解決傳統(tǒng)方法的局限性和上述增材制造工藝在WC-Co硬質(zhì)合金生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，提出了一種新的增材制造工藝，稱(chēng)為3D凝膠印刷（3DGP）。 3DGP 將凝膠注射成型與熔融沉積模型 (FDM) 相結(jié)合，能夠?qū)?3D 模型轉(zhuǎn)換為 3D 實(shí)體。圖 1(a) 顯示了我們?cè)O(shè)計(jì)的 3DGP 設(shè)備。圖 1(b) 顯示了該裝置的擠出和沉積系統(tǒng)的放大圖。首先，將設(shè)計(jì)的 3D 模型切割成一系列 2D 切片。然后將有機(jī)單體溶液中的粉狀漿料作為“墨水”，在壓縮空氣的特定壓力下輸送到3D GP設(shè)備的螺桿擠出機(jī)。同時(shí)，引發(fā)劑和催化劑按比例輸送到同一臺(tái)螺桿擠出機(jī)中。將材料徹底混合并通過(guò)噴嘴擠出，然后沉積在打印平臺(tái)上。短時(shí)間后，有機(jī)單體發(fā)生交聯(lián)，固體粉末被三維交聯(lián)聚合物固定。這樣，漿料就可以逐層選擇性地沉積，這與3D模型的每個(gè)預(yù)先構(gòu)建的2D切片是一致的。最后得到三維結(jié)構(gòu)的生坯。為了避免打印過(guò)程中果嶺塌陷，打印平臺(tái)保持靜止，3DGP設(shè)備的打印頭可以沿X、Y、Z軸移動(dòng)，這與傳統(tǒng)的FDM設(shè)備不同。與傳統(tǒng)的FDM器件類(lèi)似，新器件具有成型靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。干燥后，生坯在真空或常壓爐中脫脂和燒結(jié)。 圖1 3DGP示意圖：（a）3D凝膠打印裝置，（b）擠出和沉積系統(tǒng)的放大圖，（c）漿料絲和(d)絲膠細(xì)絲的沉積。凝膠澆注已用于生產(chǎn)各種金屬材料和陶瓷，如WC-8 wt%Co、17-4PH不銹鋼、高溫合金、Al2O3、Si3N4、SiC等。這證明了多種材料粉末可以穩(wěn)定地分散和懸浮在有機(jī)單體溶液中，這意味著3DGP在形成包括金屬、金屬合金、金屬基復(fù)合材料和陶瓷在內(nèi)的多種材料方面具有巨大的潛力。當(dāng)前對(duì)復(fù)雜硬質(zhì)合金零件的需求不斷增加。 WC-20Co 是一種典型的硬質(zhì)合金。本研究以WC-20Co漿料作為可印刷油墨，通過(guò)3DGP研究了WC-20Co組件的增材制造。目的是制造高密度、高力學(xué)性能的WC-20Co復(fù)合材料零件，研究3DGP在WC-Co硬質(zhì)合金零件近凈成形中的可行性和實(shí)用性。 2．準(zhǔn)備2.1。 WC-20Co 漿料制備 本工作使用平均粒徑為 2.7 μm 的商業(yè) WC 粉體和平均粒徑為 46.5 μm 的 Co 粉體。圖 2(a) 和 (b) 分別顯示了 WC 粉末和 Co 粉末的外觀。使用WC與Co重量比為80:20的球磨混合物和與WC-20Co粉末以5:1的重量比混合的硬質(zhì)合金球混合這些原材料。圖2(c)顯示了研磨24小時(shí)后的WC-20Co復(fù)合粉末。 2粉末材料的形貌：（a）WC粉末，（b）Co粉末和（c）WC-20Co復(fù)合粉末。為防止鈷氧化，設(shè)計(jì)了非水凝膠體系。選擇甲苯和甲基丙烯酸羥乙酯（CH2=C(CH3)COOCH2CH2OH，HEMA）作為溶劑和有機(jī)單體。表 1 列出了用于 WC-20Co 漿料的凝膠系統(tǒng)。表 1. 用于 WC-20Co 漿料的化學(xué)試劑系統(tǒng)。溶劑有機(jī)單體交聯(lián)劑分散劑引發(fā)劑催化劑甲苯-甲基丙烯酸羥乙酯 (HEMA) N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺 Solsperse-6000過(guò)氧化苯甲酰（BPO）二甲基苯胺（TEMED）實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純。首先將HEMA（單體）和N,N'-亞甲基-雙丙烯酰胺（交聯(lián)劑）以80:1的重量比混合，然后以體積比為50%的HEMA溶解在甲苯中以制備預(yù)處理?；旌衔铩＝酉聛?lái)，通過(guò)將 WC-20Co 粉末分散到預(yù)混合溶液中來(lái)制備具有不同固體含量的漿料。分散劑Solsperse-6000（美國(guó)ICI公司，無(wú)毒）按一定比例同時(shí)加入。然后將這些WC-20Co懸浮液球磨2小時(shí)以獲得均勻的漿液。2.2． 3D凝膠打印工藝將上述WC-20Co漿料在適當(dāng)壓力下輸送至3D GP裝置。這里使用了三個(gè)內(nèi)徑分別為 0.5、0.6 和 0.7 mm 的噴嘴。表 2 列出了 3DGP 工藝的打印條件?；谶@些打印參數(shù)，以斜切刀為例，制備并分析了一些矩形樣品，以確定3DGP的精度和表面狀況。在 3D 凝膠打印過(guò)程之后，將生坯在真空烘箱中在 60°C 下干燥 8 小時(shí)。干燥后的生坯在700°C脫脂1小時(shí)，最后在真空碳管爐（真空<2Pa）中1360°C燒結(jié)1小時(shí)。 表2. 3DGP的打印條件。編號(hào)打印條件噴嘴直徑厚打印速度1 0.50 mm 0.35 mm 28 mm/s2 0.60 mm 0.45 mm 28 mm/s3 0.70 mm 0.55 mm 28 mm/s2.3.測(cè)量WC-20Co漿料的粘度使用NDJ-79旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)在25°C下測(cè)試。采用熱重分析(TGA)和差熱分析(DTA)研究了高純氬氣流下升溫速率為10℃/min時(shí)有機(jī)粘合劑的熱失重和分解動(dòng)力學(xué)。阿基米德原理用于測(cè)量生坯密度和燒結(jié)密度。激光掃描共聚焦顯微鏡用于觀察3DGP生坯的表面粗糙度、外觀和橫截面形貌。通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察WC-20Co粉末的外觀以及生坯和燒結(jié)樣品的微觀結(jié)構(gòu)。使用帶有金剛石錐體和 60 kg 載荷的洛氏硬度計(jì)測(cè)試燒結(jié)樣品的硬度。通過(guò)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以 10 mm/min 的加載速率對(duì)切割成 5 mm x 5 mm x 35 mm 的燒結(jié)試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。每組報(bào)告的數(shù)據(jù)是基于從 3 到 5 個(gè)樣本中獲得的屬性。3．結(jié)果與討論3.1． WC-20Co 漿料的流變行為和膠凝過(guò)程 漿料的質(zhì)量取決于兩個(gè)關(guān)鍵因素：固體含量和粘度。如圖。圖3顯示了在剪切速率為20 s -1 下固體負(fù)載對(duì)WC-20Co漿料粘度的影響。漿料的粘度隨著固體負(fù)載的增加而增加。與凝膠注射成型的粘度要求（通常<1 Pa·s）不同，3DGP 工藝可以使用更高的粘度（意味著更高的固含量）。 3DGP漿料不需要用模具填充，只需要具有一定的流動(dòng)性（通常<3 Pa·s），這樣就可以通過(guò)噴嘴擠出。然而，過(guò)高的粘度可能會(huì)阻礙 WC-20Co 漿料的擠出。例如，固含量為 59 vol% 的漿料太粘而無(wú)法擠出。在這項(xiàng)研究中，通過(guò) 3DGP 直接打印了四種不同的固體負(fù)載 WC-20Co 漿料：47、50、53 和 56 vol%。圖 3. 固體負(fù)載對(duì) WC-20Co 漿料粘度的影響。此外，WC- 20Co 漿料表現(xiàn)出假塑性流體特性。如圖 4 所示，隨著剪切速率的增加，WC-20Co 漿料的粘度顯著降低，表明剪切變稀行為。這表明 WC-20Co 漿料可以在由氣壓和攪拌引起的高剪切速率下流動(dòng)，并且可以通過(guò)小直徑噴嘴在特定壓力下擠出。一旦漿料被擠出并且剪切力消失，漿料細(xì)絲在凝固前的短暫空閑時(shí)間內(nèi)保持其形狀而不是散開(kāi)。這種剪切稀化特性非常有利于 WC-20Co 漿料在 3DGP 工藝中的擠出和沉積。圖 4. WC-20Co 漿料的表觀粘度和剪切速率之間的關(guān)系。在添加催化劑二甲基苯胺之間存在空閑時(shí)間(TEMED) 和引發(fā)劑過(guò)氧化苯甲酰 (BPO) 并開(kāi)始凝膠化（交聯(lián)聚合）。優(yōu)化空閑時(shí)間是 3DGP 的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。在正確的空閑時(shí)間，擠出系統(tǒng)的螺桿可以對(duì)WC-20Co漿料、催化劑和引發(fā)劑進(jìn)行強(qiáng)力攪拌，保證HEMA單體在漿料擠出沉積后迅速發(fā)生交聯(lián)聚合。在印刷下一層之前，前一層漿料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，使生坯能夠保持其形狀并承受自身重量。 HEMA 的交聯(lián)聚合是一種放熱反應(yīng)，因此使用帶有溫度計(jì)的定制儀器來(lái)幫助確定空閑時(shí)間。在我們之前的工作中，我們發(fā)現(xiàn)催化劑TEMED對(duì)反應(yīng)速率有顯著影響，在TEMED濃度為10 mmol/L時(shí)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的穩(wěn)定性。與催化劑的顯著效果不同的是，通過(guò)調(diào)節(jié)引發(fā)劑的濃度更便于優(yōu)化空閑時(shí)間和聚合速率。一旦添加到 WC-20Co 漿料中，引發(fā)劑 BPO 就會(huì)分解成自由基，從而成功地引發(fā)聚合反應(yīng)。圖 5 顯示了引發(fā)劑濃度對(duì)固體含量為 56%（按體積計(jì)）的 WC-20Co 漿料的死時(shí)間的影響。結(jié)果表明WC-20Co漿料的凝膠化是可控的?？臻e時(shí)間隨著引發(fā)劑濃度的增加而減少。當(dāng)引發(fā)劑濃度為 40 mmol/L 時(shí)，空閑時(shí)間 > 20 min。然而，隨著引發(fā)劑濃度增加到 70 mmol/L，空閑時(shí)間減少到大約 5 分鐘。當(dāng)濃度超過(guò)100 mmol/L時(shí)，影響空閑時(shí)間最短。類(lèi)似的模式適用于具有不同固體含量的漿料。根據(jù)反復(fù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果提出了引發(fā)劑（90 mmol/L）的最佳用量。在這個(gè)最佳卸載期間（約2分鐘），WC-20Co漿料在螺桿擠出機(jī)中與一定量的催化劑和引發(fā)劑混合，然后通過(guò)噴嘴擠出，最終在20秒內(nèi)固化。 5 引發(fā)劑濃度對(duì)WC-20Co漿料排空時(shí)間的影響3.2．生坯的表征WC-20Co 漿料通過(guò)常規(guī)噴嘴擠出，并且由于巴魯斯效應(yīng)（擠出膨脹），漿料細(xì)絲的直徑略大于噴嘴的內(nèi)徑。如圖1(c)所示，漿料長(zhǎng)絲沉積在打印平臺(tái)上后，其自身的重力、流變特性以及與噴嘴的輕微接觸都會(huì)變成半橢圓形，如圖1(c)所示。通過(guò)控制空閑時(shí)間，印刷漿料可以在下一層擠出前快速固化并足夠強(qiáng)。圖 1(d) 是 3DGP 沉積過(guò)程的示意圖。 WC-20Co 漿料細(xì)絲交叉堆疊，下一層將填充上一層的空隙空間。由于上述巴魯斯效應(yīng)，有必要選擇正確的填充率。填充率的影響如圖 6 所示。使用 0.7 mm 噴嘴和 56 vol% 固體的 WC-20Co 漿料打印三種不同的填充率樣品。當(dāng)填充率為100%時(shí)，WC-20Co漿料會(huì)堆積、變形，進(jìn)而破壞制品的形狀。另一方面，如圖1所示的晶格結(jié)構(gòu)所示。如圖6(a)所示，低填充率導(dǎo)致生坯的低密度。填充率為92%，生坯成型良好。根據(jù)漿料的流變特性和噴嘴尺寸選擇合適的填充率。 圖6 不同填充率的綠色樣品：（a）84%，（b）92%和（c）100%。沉積層的厚度，最終決定了生坯的表面粗糙度和尺寸精度。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，使用不同直徑的噴嘴和具有 56 vol% 固體負(fù)載的 WC-20Co 漿料通過(guò) 3DGP 制造了幾個(gè)樣品。測(cè)量它們的層厚、表面粗糙度、形狀和尺寸以計(jì)算3DGP成型精度。通過(guò)共聚焦激光掃描顯微鏡研究了打印樣品的層厚度和表面粗糙度。如圖。圖7是使用內(nèi)徑為0.5、0.6和0.7mm的三個(gè)噴嘴通過(guò)3DGP獲得的生坯的側(cè)視圖。這表明漿料長(zhǎng)絲保持其形狀并及時(shí)固化，層間粘合良好。表 3 顯示了印刷生坯的層厚、表面粗糙度和尺寸。測(cè)量的層厚度（分別為 0.355 mm、0.447 mm 和 0.552 mm）的結(jié)果與表 2 中所示的 3DGP 的設(shè)置一致。隨著噴嘴直徑的增加，打印樣品的表面粗糙度增加。當(dāng)使用內(nèi)徑為 0.5 mm 的噴嘴打印長(zhǎng)方體樣品時(shí)，獲得的表面粗糙度 (Ra) 為 8.13±0.6 μm。當(dāng)噴嘴的內(nèi)徑增加到0.7 mm時(shí)，樣品的表面粗糙度（Ra）高達(dá)19.98±0.9 μm。從表 3 可以看出，所有這些打印的空白都比三維模型略大，但在干燥過(guò)程中略小，因此更接近模型。圖 8 顯示了使用 0.5 mm 噴嘴和 WC-20Co 漿料打印的干燥矩形樣品，固體負(fù)載量為 56 vol%。如圖 8(b) 所示，3DGP-bulit 樣品表面沒(méi)有明顯的氣孔、碎片和翹曲缺陷。在長(zhǎng)方體樣品的表面上仍然可以看到線(xiàn)條打印標(biāo)記。結(jié)果表明，3DGP器件具有良好的成型能力，采用精細(xì)噴嘴制備樣品，表面粗糙度更低，尺寸精度更高。圖 8(e) 顯示了低放大率綠色干燥樣品的橫截面。打印層和綠色樣本內(nèi)部的線(xiàn)條之間沒(méi)有界面。 WC-Co漿料雖然是一層一層的印刷，但漿料的潤(rùn)濕鋪展性好，填充率適宜，使線(xiàn)材與層間具有優(yōu)良的附著力。此外，在印刷和干燥步驟以及導(dǎo)線(xiàn)和層的緊密結(jié)合期間，HEMA 的交聯(lián)聚合仍然發(fā)生在這些界面處。從 SEM 圖像（圖 8（f））可以看出，綠色樣品具有均勻的微觀結(jié)構(gòu)，WC-Co 顆粒均勻分布。此外，顆粒被凝膠聚合物緊緊覆蓋并固定到位。 圖7：3DGP形成的不同噴嘴的生坯的側(cè)面外觀和層厚度：0.5mm噴嘴，（b）0.6mm噴嘴，和（c） 0.7mm 噴嘴。 表 3. 印刷生坯的層厚、表面粗糙度和尺寸，以及干燥生坯的尺寸。 （3D 模型為 40 mm × 20 mm × 20 mm。）圖。 8. 3DGP使用0.5 mm噴嘴和WC-20Co漿料以56 vol%打印的長(zhǎng)方體樣品：（a）三維模型，（b）干燥的生坯，（c）燒結(jié)樣品，（e）交叉低放大率下干燥生坯的截面，和（f）干燥生坯的微觀結(jié)構(gòu)。固體負(fù)載影響生坯的密度。如圖所示。 9, when a proper nozzle is selected and a proper filling rate is selected, the green density increases as the solid load of the slurry increases.在 56 vol% 的固體負(fù)載下，生坯密度為 7.85 g/cm3。使用高固含量漿料有利于生產(chǎn)高密度生坯并減少干燥和燒結(jié)過(guò)程中的收縮，從而有利于實(shí)現(xiàn)高密度均質(zhì)和高精度燒結(jié)零件。在粘度合理的前提下，盡可能增加固載量。 圖9 不同WC-20Co固載量的3D GP樣品的生坯密度和燒結(jié)密度。 3.3．燒結(jié)樣品 3DGP 工藝基于有機(jī)單體粘合劑和 FDM 的原位聚合。在燒結(jié)之前，綠色凝膠聚合物（有機(jī)粘合劑）應(yīng)該分解并燒掉。為了研究有機(jī)粘合劑的熱分解動(dòng)力學(xué)，使用 WC-20Co 漿料在 56 vol% 固體負(fù)載下印刷的綠色樣品在流動(dòng)的氬氣氣氛中以 10°C/min 的加熱速率通過(guò) TG 和 DTA 進(jìn)行測(cè)試。 .如圖 10 所示，綠色樣品由于甲苯的蒸發(fā)而吸熱，并在低溫（<100°C）下變得更輕。 DTA 曲線(xiàn)在約 450°C 時(shí)顯示出強(qiáng)烈的放熱。對(duì)應(yīng)于放熱峰，生坯在 300°C 和 500°C 之間顯示出顯著的重量損失。當(dāng)加熱到 600°C 時(shí)，綠色樣品損失 3.08 wt%。經(jīng)計(jì)算，干燥后的綠色樣品的有機(jī)物含量為 3.02%（重量）。當(dāng)溫度高于600℃時(shí)，生坯的重量幾乎沒(méi)有變化。結(jié)果表明，綠色聚合物凝膠在加熱到約 600°C 后完全燒毀。由于有機(jī)粘合劑含量低，3DGP 打印的綠色樣品只需要熱脫脂。 3DGP可以形成大尺寸的組件?？紤]到爐溫滯后，WC-20Co樣品在700℃退火1小時(shí)。在圖。如圖 8(c) 所示，可以清楚地觀察到 3DGP 制造的樣品在燒結(jié)過(guò)程中的收縮是均勻的。燒結(jié)后的樣品保持其形狀不翹曲，表面無(wú)缺陷。 圖 10. 3DGP 樣品的 DTA 曲線(xiàn)和 TG 曲線(xiàn)，加熱速率為 10 ℃/min。 3DGP 樣本增加。就像圖 2 中的密度數(shù)據(jù)一樣。如圖9所示，使用固含量為56 vol.-%的WC-20Co漿料印刷的樣品顯示最大密度為13.55 g/cm3，達(dá)到理論密度的99.93%。然而，當(dāng)固體載荷按體積減少至47%時(shí)，燒結(jié)密度僅為12.01 g/cm 3 （理論密度的88.58%）。固體負(fù)載的影響也反映在燒結(jié)樣品的微觀結(jié)構(gòu)中。在高達(dá) 56%（體積）的固體負(fù)載下，SEM 圖像（圖 11(a)）顯示燒結(jié)樣品幾乎完全致密，沒(méi)有觀察到裂縫或空隙。當(dāng)固體含量低，即溶劑含量和有機(jī)粘合劑含量高時(shí)，溶劑的蒸發(fā)和有機(jī)粘合劑的燒壞導(dǎo)致許多空隙，這阻礙了燒結(jié)致密化。如圖。圖 11(b) 表明，當(dāng) WC-20Co 漿料的固體含量按體積計(jì)減少到 53% 時(shí)，燒結(jié)樣品中會(huì)出現(xiàn)一些小孔。在圖1中可以觀察到大量的空隙。圖 11 (c) 顯示了使用 WC-20Co 漿料印刷的樣品的微觀結(jié)構(gòu)，固體負(fù)載量為 50%（按體積計(jì)）。如圖所示。如圖 11(d) 所示，隨著固體載荷的進(jìn)一步降低，越來(lái)越多的孔出現(xiàn)。在脫脂和燒結(jié)過(guò)程中沒(méi)有足夠的液相填充溶劑和有機(jī)粘合劑留下的孔隙。這導(dǎo)致在使用 WC-20Co 漿料打印的樣品中出現(xiàn)低密度和大量空隙，固體負(fù)載量為 47%（體積）。 圖 11. (a) 56 vol%, (b) 53 vol%, (c) 50 vol%, (d) 47 vol% WC-20Co 漿料通過(guò)燒結(jié)樣品的 3DGP 打印 SEM 圖像。圖 12 顯示了燒結(jié)樣品的硬度隨 WC-20Co 漿料固體負(fù)載量的變化。在體積為 47% 的固體負(fù)載下，硬度 (HRA) 僅為 84.5。低固含量導(dǎo)致低燒結(jié)密度（高孔隙率），這顯著降低了樣品的機(jī)械性能。隨著固體載荷的增加，硬度顯著增加。使用具有 56 vol% 固體負(fù)載的 WC-20Co 漿料打印的樣品具有 87.7 的最大硬度 (HRA)。圖 12.具有不同 WC-20Co 固體負(fù)載的燒結(jié)樣品的硬度值。類(lèi)似的情況發(fā)生在橫向斷裂強(qiáng)度燒結(jié)樣品。如圖 13 所示，觀察到樣品的抗彎強(qiáng)度隨著固體負(fù)載的增加而增加。樣品的斷裂外觀和微觀結(jié)構(gòu)（圖 14）也證實(shí)了這一點(diǎn)。如圖所示。如圖 14(b)、(c) 和 (d) 所示，樣品的彎曲強(qiáng)度非常低，許多孔是由 53%、50% 和 47% 的低固體載荷引起的。盡管存在氣孔，但可以看出WC顆粒分布均勻，沒(méi)有出現(xiàn)異常生長(zhǎng)。使用高 WC-20Co 含量 (56 vol%) 漿料制成的樣品具有 2612.8 MPa 的橫向斷裂強(qiáng)度。圖 13. 不同 WC-20Co 固體載荷的燒結(jié)樣品的彎曲強(qiáng)度。圖 14. 打印的 WC-20Co 樣品的斷裂模式使用具有不同固體載荷的漿料：(a) 56 vol%、(b) 53 vol%、(c) 50 vol% 和 (d) 47 vol%。圖 15 顯示了由 3DGP 制成并在 1360 度燒結(jié)的斜切刀（直徑 52 毫米）攝氏度。燒結(jié)均勻收縮。因此，坡口銑削具有良好的保形性。 3DGP 打印樣品的機(jī)械性能類(lèi)似于使用傳統(tǒng)印刷機(jī)和燒結(jié)技術(shù)制成的樣品的機(jī)械性能。 3DGP 是一種先進(jìn)的近凈成形工藝，無(wú)需模具即可形成復(fù)雜的形狀（自由成形）?？梢栽谛泵嫔喜榭创蛴〉木€(xiàn)條。使用 3DGP 制造的零件在使用前需要進(jìn)行拋光和拋光。 3DGP的成型速度還是很慢的。打印斜面銑削需要 2 小時(shí) 46 分鐘。作為一種非成型工藝，3DGP克服了復(fù)雜形狀的限制，簡(jiǎn)化了工藝流程。隨著技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，成型精度和成型速度會(huì)逐漸提高。 3DGP 為 WC-Co 硬質(zhì)合金部件的近凈成形提供了一種新方法。圖 15. 3DGP 打印的斜切刀。4.結(jié)論復(fù)合WC-20Co組件通過(guò)一種稱(chēng)為3D凝膠打印的新AM工藝成功生產(chǎn)出近凈形狀，該工藝選擇性地逐層沉積WC-20Co漿料。得出以下結(jié)論：(1)形狀不規(guī)則的WC-20Co復(fù)合粉體和甲苯-HEMA凝膠體系可以制備出具有合適流變性能的漿料。剪切稀化行為和可控的膠凝反應(yīng)使WC-20Co漿料適用于3DGP工藝。(2)3DGP可用于制備復(fù)雜的生坯。細(xì)噴嘴的使用有助于提高3DGP的成型精度，降低樣品的表面粗糙度。應(yīng)根據(jù)漿料的流變性和噴嘴尺寸來(lái)選擇填充率。印刷樣品形狀良好，表面粗糙度為8.13±0.6 μm。生坯的低粘合劑含量使 3DGP 能夠制造大尺寸組件。(3)增加 WC-20Co 漿料的固體負(fù)載量導(dǎo)致漿料粘度、生坯密度、燒結(jié)密度和燒結(jié)樣品的機(jī)械性能得到改善。使用 56 vol% WC-20Co 漿料打印的燒結(jié)樣品的密度為 13.55 g/cm 3 （理論密度為 99.93%），硬度為 87.7（HRA），抗彎強(qiáng)度為 2612.8 MPa。此外，顯微組織均勻，WC晶粒細(xì)小均勻。參考文獻(xiàn)：張新月，智，孟果，陳村光，楊偉偉。3D凝膠打印WC-20Co部件的增材制造。國(guó)際難熔金屬和硬質(zhì)材料雜志，第 70 卷，2018 年 1 月，第 215-223 頁(yè)
資料來(lái)源：Meeyou Carbide