北工大最新《Composites Part B》：微米级钴团聚体助力WC-Co硬质合金的无缺陷LPBF成形！

激光粉末床熔融（LPBF）作为增材制造领域的核心技术之一，已成功应用于多种金属材料体系的成形，包括铝合金、镍基高温合金、钛合金及难熔金属等。该技术通过高能激光束选择性熔化金属粉末层，实现复杂结构件（如薄壁构件、点阵结构和内置冷却流道部件）的成形。近年来，LPBF技术在陶瓷增强金属基复合材料领域展现出重要潜力，其中碳化钨-钴（WC-Co）硬质合金因其在直接成形工艺中的可行性验证而备受关注。

在LPBF成形过程中，熔池经历极端非平衡凝固（冷却速率达10^7 K/s量级），容易导致球化效应、孔隙及裂纹等缺陷。对于WC-Co体系，金属粘结相（Co）与陶瓷相（WC）间显著的熔点差异和热膨胀失配加剧了成形难度：激光辐照引发微量钴蒸发造成成分偏移，快速冷却导致界面残余应力累积，同时WC的高温分解易形成脆性缺碳相（如η相和W2C）。这些因素共同制约了高性能WC-Co构件直接成形的实现。

原料粉末特性对LPBF成形质量具有决定性影响。目前主流采用喷雾造粒法制备WC-Co复合粉末，通过机械混合-喷雾干燥-热处理工艺将纳米/亚微米级原始粉末团聚为10-50 μm的球形颗粒。尽管此类粉末可实现两相均匀分布，但在低钴含量条件下成形的硬质合金仍普遍存在裂纹与孔隙缺陷，后续热处理成为改善显微缺陷和力学性能的必要环节。研究发现，传统均匀分布的钴相在快速凝固过程中难以有效缓解热应力，且过薄的熔融钴层限制了孔隙填充能力。基于此，调控钴相在粉末中的分布形态（由均匀分散转为团簇状分布）被证明是优化成形质量的关键策略。

北京工业大学团队创新性地采用微米级钴团聚体替代传统均匀分布的钴相，系统探究钴分布模式对LPBF成形WC-Co硬质合金的影响机制。通过工艺优化成功制备出无显微缺陷的构件，并揭示其特殊显微组织的形成机理与强韧化机制。

文章链接：

主要附图

图 1. 粉末的 SEM 形貌：（a）均匀分布Co的WC-7Co 复合粉末，（b）球化Co粉，（c）超粗 WC 粉末，以及（d）粉末的 XRD 图谱。

图 2. 利用 WC-7Co 和团聚 Co 混合粉末通过 LPBF 成形的 WC-12Co 硬质合金SEM照片：（a）低倍显微结构显示未熔合孔隙的存在，（b）高倍显微结构显示粗细 WC 晶粒的交替分布，（c）富 Co 区域的显微组织，和（d）贫 Co 区域的显微组织。

图 3. 使用 WC-7Co 和团聚 Co 的混合粉末制备的 WC-12Co 硬质合金中的 TEM 分析：（a,b）HAADF 图像显示Co3W3C相和 Co(W,C)固溶体的共存，（c）(b)中亮区的衍射图案，（d-f）对应于(b)区域的 EDS 元素分布图。

图 4. 使用 WC-7Co 和团聚 Co 的混合粉末制备的 WC-12Co 硬质合金TEM 分析：（a–c）标记区域的 HAADF 图像显示 W2C 和 Co3W3C 共存，（d–f）对应于（a）区域的 EDS 元素分布图。

图 5. LPBF 制备的 WC-Co 硬质合金试样在 1410°C 下经 5 MPa 氩气气氛热处理后的典型 SEM 微观结构：（a）二次电子 SEM 图像，（b）背散射电子 SEM 图像。

图 6. 使用 WC-7Co 和团聚 Co 混合粉末制备的 LPBF 和热处理 WC-12Co 硬质合金的 XRD 图谱

图 7. 利用 WC-7Co 和团聚 Co 混合粉末制备的 LPBF-WC-12Co 试样经热处理后的 SEM 微观结构和 EDS 分析：（a）细 WC 颗粒和粗 WC 颗粒的交替分布特征，（b）等轴 WC 颗粒的显微照片，（c–f）片状 WC 颗粒的显微照片和对应于（d）区域的 EDS 元素分布图。

图 8. LPBF 制备并经热处理的 WC-12Co 试样中，使用 WC-7Co 和团聚 Co 混合粉末的细晶区域不同晶粒形态的取向分布图：（a、b）等轴 WC 晶粒，（c、d）片状 WC 晶粒。

图 9. 粉末和激光粉末床熔融 WC-Co 试样的微观组织和 EDS 分析：（a）混合超粗 WC 和团聚 Co 粉末的 SEM 形貌，（b、c）（a）对应的 W 和 Co 的 EDS 元素图，（d）低倍 SEM 图像显示 LPBF 成形的 WC-Co 试样中存在未熔合孔隙，（e）放大图像表明在凝固前 Co 基熔体有足够的流动性。

图 10. 使用超粗 WC 和团聚 Co 混合粉末制备的 WC-Co 试样的侧面 SEM 和 TEM 分析：（a）BSE 图像显示 WC 和 Co 的均匀分布，（b）网络状 Co的放大 BSE 图像，（c–f）Co 的明场 TEM 图像和相应的 EDS 元素分布图。

图 11. 使用超粗 WC 和团聚 Co 混合粉末制备的 LPBF 和热处理 WC-12Co 试样的 SEM 和 TEM 分析：（a–d）不同放大倍数的 BSE 图像，（e）富 Co 片状 WC 晶粒的 HAADF-STEM 图像和 EDS 元素映射结果，（f）片状 WC 晶粒的高分辨 TEM 图像。

图 12. 利用超粗 WC 和团聚 Co 混合粉末制备的 LPBF-WC-12Co 试样的 XRD 图谱：（a）LPBF 制备的试样，（b）在 5 MPa 氩气气氛中经 1410°C 热处理的试样。

图 13. LPBF 制备并经热处理的 WC-12Co 试样的 XRD 图谱。

图 14.  不同温度热处理后的 WC-12Co 试样的 SEM 微观结构：（a、b）900 °C，（c、d）1050 °C，（e、f）1200 °C。

主要结论

（1）钴相团簇化分布显著提升了LPBF成形质量。较大的熔融钴区域增强了液相流动能力，有效填充孔隙缺陷；同时凝固速率降低促进了应力松弛，使裂纹萌生得到有效抑制。

（2）钴富集区形成Co3W3C连续网络与Co(W,C)固溶体的复合结构。在后续热处理过程中，Co3W3C与碳发生原位反应生成片层状WC晶粒，伴随大量富钴颗粒的析出。

（3）微米级富钴颗粒通过位错滑移协调塑性变形，而纳米级析出相在不引发应力集中的前提下通过钉扎位错运动实现晶粒强化。这种多级结构设计使热处理后的LPBF成形WC-Co硬质合金实现了强度与韧性的同步提升。

作者简介

宋晓艳，北京工业大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者(‘特优’验收结题)，入选教育部长江学者特聘教授、国家百千万人才工程，并被授予“有突出贡献中青年专家”，享受国务院特殊津贴。获得“北京市突出贡献人才”、北京市“三八红旗奖章”、“北京市高校优秀共产党员”等荣誉称号。

1998年于北京科技大学获得材料学博士学位，2000-2003年于德国TU Darmstadt大学做“洪堡学者”，2010年入选德国“洪堡基金再邀请学者(Reinvitation Program)”。现担任新型功能材料教育部重点实验室主任，兼任硬质材料领域国际权威期刊《难熔金属与硬质合金》(IJRMHM，Elsevier, 1982年英国创刊)副主编，国际体视学会(ISS)中国执委，中国体视学会副理事长，中国微纳技术学会理事，中国金属学会材料科学分会委员，中国物理学会相图专业委员会委员等。

长期从事硬质合金、计算材料学、稀土功能材料等基础研究与应用开发工作。研究合金中纳米晶组织稳定性和相结构稳定性及其对材料性能得调控机制，带领团队形成了“金属纳米材料稳定性基础研究”与“工程应用”紧密结合的学术特色。主持973、863、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点、德国研究联合会基金(DFG)、北京市自然科学基金重点、北京重点产业关键技术攻关等项目以及企业委托重大攻关项目等多项重要科研任务。主要研究成果获得省部级科技进步一等奖1项、自然科学二等奖2项、技术发明二等奖1项；受邀合著国际专著1部；授权/公开国际、国内发明专利80余件，获得软件著作权4件；主持制定国内首个纳米硬质合金产品企业标准和首个用于数据驱动材料设计的钐钴基合金数据规范团体标准。带领团队在国内率先实现了纳米硬质合金的产业化，原创开发的高强韧、强耐磨耐蚀硬质合金规模化制备技术成功落地京津冀企业，实现了千万元级别自主知识产权成果转化，取得了基础研究向工程应用的重大突破，开拓了先进硬质合金开发应用的新阶段。于Science Advances、Advanced Materials、Acta Materialia等发表SCI论文300余篇，在国际、国内学术会议上作大会/主旨/邀请报告60余次。

个人资料来源：

王海滨，北京工业大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。2013年获北京工业大学材料学博士学位，随后留校从事教学科研工作。2018至2019年于英国国家物理实验室(NPL)进行访学研究。主持国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国空间技术研究院等企业委托课题等10余项项目。作为技术骨干参与了国家“863”计划主题项目、“973”计划课题、国家自然科学基金重点项目、北京市自然科学基金重点项目等课题的研究工作。所获荣誉：北京市技术发明奖二等奖、IFAM 2020优秀青年科学家奖，入选了北京工业大学“日新人才”、高端人才队伍建设计划 “优秀人才”，国家重点研发计划青年科学家项目首席。社会兼职： 北京粉末冶金研究会委员、《硬质合金》和《粉末冶金技术》期刊编委、《稀有金属材料与工程》和《材料热处理学报》期刊青年编委、国际粉末冶金大会“难熔与硬质材料”分会组委会委员等。

个人资料来源：