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Impact of cobalt content and grain growth inhibitors in laser-based powder bed fusion of WC-Co

材料科学 碳化钨 钴 微观结构 晶粒生长 粒度 冶金 碳化物 脆化 烧结 钨 多孔性 维氏硬度试验 复合材料
作者
Tobias Schwanekamp,Gabriela Mărginean,Martin Reuber,Andreas Ostendorf
出处
期刊:International Journal of Refractory Metals & Hard Materials [Elsevier BV]
卷期号:105: 105814-105814 被引量:53
标识
DOI:10.1016/j.ijrmhm.2022.105814
摘要

Processing of tungsten carbide‑cobalt (WC-Co) by laser-based powder bed fusion (PBF-LB) can result in characteristic microstructure defects such as cracks, pores, undesired phases and tungsten carbide (WC) grain growth, due to the heterogeneous energy input and the high thermal gradients. Besides the processing conditions, the material properties are affected by the initial powder characteristics. In this paper, the impact of powder composition on microstructure, phase formation and mechanical properties in PBF-LB of WC-Co is studied. Powders with different cobalt contents from 12 wt.-% to 25 wt.-% are tested under variation of the laser parameters. Furthermore, the impact of vanadium carbide (VC) and chromium (Cr) additives is investigated. Both are known as grain growth inhibitors for conventional sintering processes. The experiments are conducted at a pre-heating temperature of around 800 °C to prevent crack formation in the samples. Increasing laser energy input reduces porosity but leads to severe embrittlement for low cobalt content and to abnormal WC grain growth for high cobalt content. It is found that interparticular porosity at low laser energy is more severe for low cobalt content due to poor wetting of the liquid phase. Maximum bending strength of σ B > 1200 MPa and Vickers hardness of approx. 1000 HV3 can be measured for samples generated from WC-Co 83/17 powder with medium laser energy input. The addition of V and Cr leads to increased formation of additional phases such as Co 3 W 3 C, Co 3 V and Cr 23 C 6 and to increased lateral and multi-laminar growth of the WC grains. In contrast to conventional sintering, a grain growth inhibiting effect of V and Cr in the laser molten microstructure is not achieved. • At low laser energy E V , porosity decreases with increasing Co-content. • At high E V , increasing Co-content causes less η-phases but increased grain growth. • Co evaporation is affected by laser energy but not by initial powder Co content. • 1100 HV3 hardness and 1300 MPa TRS can be achieved with WC-Co 83/17. • V and Cr do not reduce grain growth but deteriorate microstructure and properties.

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