自1923年德国工程师Karl Schröter基于液相烧结工艺制备出WC-Co硬质合金以来，历经一个世纪的发展，如今各类成分与结构的硬质合金已在精密加工刀具、模具以及耐磨零部件等领域广泛应用，有力地推动了众多工业与科学领域的进步。然而，传统粉末冶金工艺在制造具有复杂几何形状和含内孔结构的硬质合金零件时，存在固有的局限，极大限制了设计的灵活性。这使得开发先进的硬质合金增材制造技术，成为当前亟待推进的重要研究方向。经过十多年的高速发展，两大类硬质合金增材制造技术应运而生，即基于高能束流的增材制造（Beam-based Additive Manufacturing, BBAM）和基于烧结的增材制造（Sinter-based Additive Manufacturing, SBAM），均展现出了广阔的应用前景，但也存在一些急需突破的瓶颈问题。

图1 硬质合金发展过程中的历史里程碑：重大创新与影响

近日，北京工业大学宋晓艳教授、王海滨教授和温州宏丰电工合金股份有限公司Mehrdad Zarinejad博士等，在综述类国际TOP期刊International Materials Reviews (IF=15.5) 发表了题为“Additive manufacturing of cemented carbides: Differences between beam-based and sinter-based technologies”的综述文章。该文系统比较了典型的BBAM工艺（如选区激光/电子束熔化，SLM/SEBM）和SBAM工艺（如粘结剂喷射/材料挤出成形，BJT/MEX）制备硬质合金零件的宏观形貌、组织均匀性、相组成演变规律、晶粒生长行为、缺陷形成机理（包括孔洞、裂纹和收缩）与力学性能。通过微观组织与性能的比较，对两类工艺的优势和不足进行了综合分析，提出这两种方法在硬质合金增材制造领域具备良好的互补性，未来的研究应聚焦于增材制造工艺和粉末的适配性，以减少缺陷、提高尺寸精度，并提升所制备硬质合金的力学性能，尤其是强度。

全文链接：

https://doi.org/10.1177/09506608251382364

BBAM方法，包括选区激光熔化、选区电子束熔化和直接能量沉积，属于高温直接成形工艺，依靠高能束流实现粉末快速熔化凝固，无需制备生坯，成型流程简便，零件尺寸精度高、成型收缩率小，可制备带有复杂内部结构的异形硬质合金构件。但该工艺冷却速率过快，易引发碳和钴的损失、非平衡相析出等问题，极易产生残余应力、孔隙及裂纹等缺陷，造成微观组织不均匀，尤其是WC晶粒呈现细晶和超粗晶交替分布特征，进而导致材料力学性能下降，且通常需要后处理工艺来进一步减少成形缺陷。相比之下，SBAM技术，包括粘结剂喷射、材料挤出和熔融沉积成型等，属于常温生坯成型搭配脱脂、烧结的间接制备工艺，成形产生的微观结构与传统粉末冶金工艺相似，参数优化后缺陷更少。SBAM可能会产生层间裂纹，通过优化工艺可减少此类缺陷，其主要挑战在于控制烧结过程中的残余碳含量并实现均匀收缩。

由于微观组织不均匀和孔隙的存在，即使经过工艺优化，BBAM制备WC-Co硬质合金的硬度和强度仍然难以达到与传统粉末冶金工艺相当的水平。相比之下，SBAM工艺获得硬质合金由于密度更高、均匀性更好，其力学性能接近于传统粉末冶金工艺制备硬质合金。虽然SBAM工艺可获得高的韧性和强度，但BBAM工艺在尺寸精度和成形复杂几何形状方面更具优势。BBAM更适合制造小型、高硬度、耐磨的零件，而SBAM更适合制造需要更高强度和性能一致性的大型、不规则零件。两者具有互补性，但仍需进一步减少缺陷，提升工艺可靠性。

图2 采用BBAM方法（a-c）和SBAM方法（d-i）制备WC-Co硬质合金零件的宏观形貌比较：基于BBAM直接成型硬质合金零件在热处理前后均展现出更清晰的形状细节，与SBAM工艺相比，零件收缩率显著降低

图3 基于选区激光熔化（a-c）、电子束熔化（d,e）和粘结剂喷射（f,g）工艺制备WC-Co硬质合金的典型微观结构：（a）三维光学显微镜图像；（b）WC细晶区与粗晶区界面的光镜图像；（c）WC晶粒的双峰分布；（d,e）层状不均匀微观结构的SEM图像；（f）脱脂和烧结后WC晶粒（平均尺寸约6 μm）在Co中均匀分布的光镜图像；（g）微观组织不均匀的光镜图像，主要由中等尺寸的WC晶粒（1.4～2.0 μm）和尺寸约20 μm的粗晶粒团簇组成

图4 基于粘结剂喷射成形和烧结制备WC-Co硬质合金的微观组织与元素分析：(a) 扫描电镜显微形貌；(b) 能谱面扫描分析；(c) 能谱线扫描分析结果（wt%），其中左侧试样的干燥时间30 s、粘结剂饱和度175%，右侧试样的干燥时间45 s、粘结剂饱和度225%，所有试样均经1435 ℃ 烧结-热等静压处理

图5 基于BBAM和SBAM工艺制备WC-Co硬质合金的（a）硬度、（b）断裂韧性与通过粉末冶金工艺制备典型硬质合金性能（数据源自Sandvik公司）的比较

（1）微观组织与缺陷特征：高能束增材制造工艺（SLM、SLS、SEBM、DED）冷却速率极快，易诱发非平衡相生成，同时造成碳、钴元素损耗及微观组织不均，形成WC晶粒细化与异常粗化交替分布的组织特征，构件残余应力高、脆性增大；相比之下，烧结型增材制造工艺（BJT、MEX、FDM）成形组织与传统粉末冶金相近、均匀性良好，在工艺参数优化条件下，内部缺陷显著更少。

（2）缺陷形成机制：高能束增材制造硬质合金受剧烈热循环与热量分布不均影响，易产生孔隙与裂纹缺陷，其中孔隙与激光能量密度密切相关，裂纹则主要源于热膨胀失配与残余应力；烧结型增材制造虽易出现层间裂纹，但可通过工艺优化有效抑制，其核心难点在于烧结过程中残余碳含量控制与均匀收缩调控。

（3）力学性能：受微观组织不均与孔隙缺陷影响，即使经过参数优化，高能束增材制备的WC-Co硬质合金硬度与强度仍偏低；而烧结型增材制造构件致密度更高、组织均匀性更好，力学性能可与传统粉末冶金工艺媲美，其断裂韧性与强度优于高能束增材制造硬质合金。

（4）工艺适用场景：烧结型增材制造硬质合金在韧性与强度上更具优势，高能束增材制造则在尺寸精度与复杂结构成形方面更突出；高能束工艺适用于小型、高硬度、耐磨类零件，而烧结型工艺更适合大尺寸、异形且对强度与性能一致性要求高的构件。两类工艺优势互补，但仍需进一步优化，以实现缺陷精准控制与工艺稳定性提升。

（1）基于高能束流的增材制造：开发配备激光/电子束处理过程中实时温度监测和反馈系统的创新型3D打印设备至关重要。此类系统能够智能优化参数，避免粉末过热或熔化不足，从而减少打印后的微观结构缺陷。此外，优化原料粉末成分和颗粒微观结构，并结合激光参数调控和后处理，对于抑制WC晶粒异常生长（BBAM直接打印中的持续挑战）至关重要，可缓解BBAM打印硬质合金中超粗WC晶粒在应力下发生穿晶断裂的趋势。在成型过程中引入纳米级增强相是提高其性能的有前景的策略。

（2）基于烧结的增材制造：在保持高性能的同时，应着重开发能够实现更高成型精度的方法。这将有助于克服粘结剂喷射和基于挤出的3D打印工艺中喷嘴尺寸对打印精度的限制。同时，减少有机粘结剂含量将减轻残余碳对强度的不利影响以及烧结过程中过大的尺寸收缩（这会导致与设计模型的尺寸偏差）。此外，随着初始粉末粒径接近超细尺度，仍需进一步研究和开发适用于SBAM制备硬质合金的成形剂和工艺参数，以改善生坯成型性并提高最终烧结零件的力学性能。

（3）集成AI的BBAM和SBAM：包括机器学习和大语言模型方法在内的人工智能（AI）技术的应用，对于提高增材制造硬质合金零件的成型精度和性能具有巨大潜力。首先，AI驱动的方法在高性能硬质合金系统的材料成分设计中非常有效。其次，AI算法可根据功能需求自动优化3D模型设计，实现轻量化、复杂几何形状和高强度结构的高效创建。值得注意的是，智能模型设计能力可补偿SBAM处理零件中显著的尺寸收缩差异。通过集成计算机视觉和深度学习，AI能够在打印过程中实时检测结构缺陷（如裂纹、未熔合孔洞），并允许动态调整参数和扫描策略，以减少缺陷。此外，AI将加速发现能够提高熔体成核速率的元素/化合物添加剂，从而抑制BBAM制备硬质合金中的晶粒异常粗化。