Đây là lần đầu tiên công nghệ additive manufacturing (AM), cụ thể là phương pháp chiếu xạ laser với dây nóng (hot-wire laser irradiation), được áp dụng để tạo ra vật liệu này mà vẫn giữ nguyên độ bền và độ cứng, đồng thời giảm đáng kể lượng nguyên liệu hao phí.

Vật liệu siêu cứng nhưng khó chế tạo

• WC-Co cemented carbides từ lâu đã được sử dụng trong các ngành công nghiệp cần khả năng chống mài mòn cao, như dao cắt, khuôn ép, và dụng cụ xây dựng.
• Phương pháp truyền thống là luyện kim bột, kết hợp bột tungsten carbide và cobalt dưới áp suất cao rồi nung kết. Tuy nhiên, cách này tốn nhiều nguyên liệu đắt đỏ và hiệu suất không cao.

Công nghệ in 3D với laser dây nóng

• Phương pháp mới sử dụng tia laser kết hợp dây kim loại được nung nóng trước, giúp tăng tốc độ bồi đắp và hiệu quả chế tạo.
• Nhóm nghiên cứu thử nghiệm hai cách:
  1. Rod-leading method: chiếu laser trực tiếp lên thanh carbide, để thanh dẫn hướng quá trình.
  2. Laser-leading method: laser dẫn hướng, chiếu vào khoảng giữa thanh carbide và lớp nền bằng sắt.

Trong cả hai cách, kim loại được làm mềm thay vì nung chảy hoàn toàn, tạo thành cấu trúc carbide mà không phá vỡ tính chất cơ học.

Kết quả: độ cứng công nghiệp, không khuyết tật

• Sản phẩm đạt độ cứng trên 1400 HV, ngang với các vật liệu công nghiệp siêu cứng, chỉ kém sapphire và kim cương.
• Tuy nhiên, mỗi phương pháp có nhược điểm riêng:
  • Rod-leading dễ gây phân hủy WC ở phần trên.
  • Laser-leading khó duy trì độ cứng ổn định.
• Giải pháp khắc phục: thêm lớp hợp kim nickel ở giữa và kiểm soát nhiệt độ chính xác, giúp tạo ra carbide không khuyết tật và giữ nguyên độ bền.

Tiềm năng ứng dụng

Theo tác giả chính Keita Marumoto, việc “làm mềm thay vì nung chảy” mở ra khả năng áp dụng cho nhiều loại vật liệu khác, không chỉ WC-Co. Trong tương lai, nhóm nghiên cứu muốn:

• Giải quyết vấn đề nứt gãy.
• Chế tạo các hình dạng phức tạp hơn.
• Ứng dụng vào sản xuất dao cắt, khuôn mẫu và công cụ công nghiệp.