Development of a Hybrid Wire–Powder DED-Arc Plasma System for Fabrication of WC Reinforced Low Carbon Steel Metal Matrix Composites
本研究展示了用于制造碳化钨（WC）增强低碳钢金属基复合材料的混合丝材-粉末等离子弧定向能量沉积（DED）系统的成功开发与优化，揭示了受控的热管理和部分碳化钨溶解能够实现定制化的微观结构，并减少缺陷并增强机械性能。
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想象一个可以将最坚硬的材料与最具柔性的金属按需融合在一起的世界，在那里可以创造出既能承受重工业磨损，又轻巧到足以构建复杂形状而不浪费材料的部件。这就是金属基复合材料所承诺的前景——这种先进材料以一种强韧的金属为基底，通过加入硬质陶瓷颗粒来增强其耐用性和抗磨损能力。几十年来，制造这些材料一直是一场艰难的平衡博弈，通常需要高温和高压，这限制了工程师能够创造出的形状。现在，一种使用专门化 3D 打印技术的新方法提供了一种层层混合这些成分的方式，通过精确控制硬质颗粒在软金属中的沉降方式，从而创造出比以往更强韧、更耐磨的组件。
慕尼黑工业大学和巴塞罗那大学的研究人员通过开发一种将两种不同进料方式结合到一台机器中的混合系统，在这一领域取得了重大进展。他们的装置并非仅仅依赖粉末或金属丝，而是通过向细钢丝进料来形成主体结构，同时吹入一股硬质碳化钨颗粒流来进行增强。这一过程被称为定向能量沉积，利用等离子弧——一种超高温的电离气体射流——在颗粒和钢丝被沉积到金属基底上时将它们熔合在一起。其目标是弄清楚如何精确调节这一过程，使硬质颗粒保持完整并均匀分布，而不产生弱点或裂纹。
团队首先将这台机器视为一种需要精确调校的复杂仪器。他们进行了一系列实验来寻找粉末输送系统的完美设置组合，测试了不同的喷嘴尺寸、载气速度以及粉末进料速率。他们发现，喷嘴的大小和气体速度至欲关重要。如果喷嘴太小或气体太快，颗粒就会从熔融金属表面弹开，或者产生削弱结构的微小气孔。通过确定特定的喷嘴尺寸和适中的气体流速，他们找到了一个“甜点区”，即颗粒能够高效地被熔融钢水捕获，而不会引起不稳定。这种精细的校准使他们能够堆叠出这种新型复合材料的厚实多层壁面。
机器调校完成后，研究人员将重点转向了如何在建造过程中管理热量。他们建立了三组在不同冷却条件下生成的壁面，以观察温度如何影响最终结果。一组经过极速冷却，另一组是在预热基底后快速冷却，第三组则允许以标准的较慢速度冷却。结果表明，管理热量与机器设置同样重要。那些在没有预热的情况下冷却过快的样本出现了巨大的裂纹和形状畸变，因为剧烈的温度变化产生了过大的应力。然而，经过预热或冷却较慢的样本表现得非常出色，裂纹更少，且形状更加平滑均匀。
当研究人员近距离观察这些成功的壁面微观结构时，他们发现了一场迷人的化学“舞蹈”。随着碳化钨颗粒熔入钢中，它们并不仅仅是停留在那里；它们部分溶解，释放出碳原子和钨原子，并扩散到周围的金属中。这创造了一个独特的梯度界面，硬质颗粒逐渐融入钢中，形成了一层新的化学化合物保护层。冷却速度决定了钢转变为何种形态：快速冷却的样本变得极其坚硬且脆，类似于一种被称为马氏体的结构；而冷却较慢的样本则发展出一种更强韧、更具柔性的结构，称为贝氏体。这种通过改变冷却速率来控制内部结构的能力，为工程师提供了一个根据特定需求定制材料的强大工具。
机械性能测试证实，这些微观结构的变化具有现实世界的后果。那些允许较慢冷却、避免了快速冷却版本极端脆性的样本，在拉伸实验中表现出了最高的强度，达到了近 900 兆帕。在耐磨性方面，预热后的样本表现最佳，在与硬球摩擦时材料损失率最低。这表明，虽然该材料非常坚硬，但它也需要一定程度的韧性，以防止在摩擦下发生崩裂。研究结论指出，这种混合丝材与粉末的方法是制造这些先进复合材料的一种可行途径，为制造具有定制耐磨性的大型复杂部件提供了路径。然而，研究人员也指出，他们目前使用的颗粒尺寸较大，这对于某些应用场景可能仍是一个限制因素，未来的工作将侧重于使用更小的颗粒以进一步提升材料性能。
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