Hiroşima Üniversitesinden araştırmacılar, şekil vermesi oldukça zor olan dünyanın en sert endüstriyel malzemesini 3D yazıcı ile şekillendirmenin yolunu buldu. Tungsten karbür–kobalt (WC-Co) karışımı, sertliği ve aşınma direncinin yüksekliği sebebiyle kesme takımlardan inşaat ekipmanlarına, madencilik uçlarından zırh delici mühimmata kadar pek çok alanda kullanılıyor. Çeliğe göre yaklaşık üç kat daha dayanıklı olan malzeme, sertlik açısından safir ve elmasın hemen altında yer alıyor.
Öte yandan bu malzeme, bir dezavantajı da beraberinde getiriyor; oldukça zor şekil alıyor. Çok yüksek erime sıcaklığı ve kırılgan yapısı nedeniyle geleneksel yöntemlerle eritilip biçimlendirilmesi neredeyse imkansız. Üretim süreci genellikle toz metalurjisine dayanıyor; malzemenin şekil kazanması için yüksek basınç altında kalıplanması, ardından erime noktasının altındaki sıcaklıklarda uzun süre ısıl işlemden geçirilmesi gerekiyor. Hem enerji yoğun hem de israf oranı yüksek olan bu süreç, tungsten karbürü pahalı ve üretimi sınırlı bir malzeme haline getiriyor.
Şekil verme sorunu 3D yazıcıyla çözüldü
Çalışmada araştırmacılar, sorunları aşmak için toz yerine, toz metalurjisiyle üretilmiş ve özellikleri iyi tanımlanmış karbür çubuklar kullanılıyor. Bu sayede WC tane boyutu ve WC–Co oranı korunurken, toz kaynaklı kusurlar büyük ölçüde ortadan kaldırılıyor. Üretim sürecinde lazer destekli sıcak tel yöntemi kullanılıyor. Yöntemde karbür çubuk, elektrik akımıyla önceden ısıtılıyor ve ardından lazerle şekillendiriliyor. Amaç malzemeyi tamamen eritmek değil, kontrollü biçimde yumuşatarak şekil verebilmek. Aşırı ısının WC bozunmasına yol açtığı bilindiğinden, sıcaklık kobaltın erime noktasının üzerinde ancak WC bozunmasının başladığı sıcaklıkların altında tutuluyor.
Araştırmada farklı lazer ışınlama stratejileri test ediliyor. İlk testte, alt tabaka olarak kullanılan çeliğin içerisindeki demirin karbür yapıya sızarak sertliği düşürdüğü görüldü. Nikel burada devreye girdi. Karbür ile alt tabaka arasına nikel esaslı bir ara katman eklenerek sorun çözüldü. Nikel, çimentolu karbürlerle kimyasal olarak uyumlu olduğu için ara yüzeyde koruyucu bir bariyer görevi görüyor. Analizlerde, ara katman sebebiyle istenmeyen yeni fazların oluşmadığı gözlemlendi.
Sonuç olarak lazer ilerleyici yöntem ve nikel esaslı ara katman birlikte kullanıldığında, 1400 HV üzerinde sertliğe sahip, kusursuz ve endüstriyel kaliteye eşdeğer bir WC–Co yapı elde edildi. Bu sertlik değeri, geleneksel sinterlenmiş çimentolu karbürlerle aynı seviyede bulunuyor.
Araştırmacılar, bu yöntemin yalnızca karbür kalıpların değil, gelecekte kesici takımların ve daha karmaşık geometrilere sahip ileri malzemelerin üretiminde de kullanılabileceğini vurguluyor. Çalışma, WC–Co gibi aşırı sert malzemelerin 3D yazıcıyla, yüksek kalite ve düşük israfla üretilebileceğini gösteren önemli bir adım olarak değerlendiriliyor.
Kaynak: International Journal of Refractory Metals and Hard Materials