激光粉末床熔融（LPBF）作为增材制造领域的核心技术之一，已成功应用于多种金属材料体系的成形，包括铝合金、镍基高温合金、钛合金及难熔金属等。该技术通过高能激光束选择性熔化金属粉末层，实现复杂结构件（如薄壁构件、点阵结构和内置冷却流道部件）的成形。近年来，LPBF技术在陶瓷增强金属基复合材料领域展现出重要潜力，其中碳化钨-钴（WC-Co）硬质合金因其在直接成形工艺中的可行性验证而备受关注。

在LPBF成形过程中，熔池经历极端非平衡凝固（冷却速率达10^7 K/s量级），容易导致球化效应、孔隙及裂纹等缺陷。对于WC-Co体系，金属粘结相（Co）与陶瓷相（WC）间显著的熔点差异和热膨胀失配加剧了成形难度：激光辐照引发微量钴蒸发造成成分偏移，快速冷却导致界面残余应力累积，同时WC的高温分解易形成脆性缺碳相（如η相和W2C）。这些因素共同制约了高性能WC-Co构件直接成形的实现。

原料粉末特性对LPBF成形质量具有决定性影响。目前主流采用喷雾造粒法制备WC-Co复合粉末，通过机械混合-喷雾干燥-热处理工艺将纳米/亚微米级原始粉末团聚为10-50 μm的球形颗粒。尽管此类粉末可实现两相均匀分布，但在低钴含量条件下成形的硬质合金仍普遍存在裂纹与孔隙缺陷，后续热处理成为改善显微缺陷和力学性能的必要环节。研究发现，传统均匀分布的钴相在快速凝固过程中难以有效缓解热应力，且过薄的熔融钴层限制了孔隙填充能力。基于此，调控钴相在粉末中的分布形态（由均匀分散转为团簇状分布）被证明是优化成形质量的关键策略。

北京工业大学团队创新性地采用微米级钴团聚体替代传统均匀分布的钴相，系统探究钴分布模式对LPBF成形WC-Co硬质合金的影响机制。通过工艺优化成功制备出无显微缺陷的构件，并揭示其特殊显微组织的形成机理与强韧化机制。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112312

主要附图

图 1. 粉末的 SEM 形貌：（a）均匀分布Co的WC-7Co 复合粉末，（b）球化Co粉，（c）超粗 WC 粉末，以及（d）粉末的 XRD 图谱。

图 2. 利用 WC-7Co 和团聚 Co 混合粉末通过 LPBF 成形的 WC-12Co 硬质合金SEM照片：（a）低倍显微结构显示未熔合孔隙的存在，（b）高倍显微结构显示粗细 WC 晶粒的交替分布，（c）富 Co 区域的显微组织，和（d）贫 Co 区域的显微组织。

图 3. 使用 WC-7Co 和团聚 Co 的混合粉末制备的 WC-12Co 硬质合金中的 TEM 分析：（a,b）HAADF 图像显示Co3W3C相和 Co(W,C)固溶体的共存，（c）(b)中亮区的衍射图案，（d-f）对应于(b)区域的 EDS 元素分布图。

图 4. 使用 WC-7Co 和团聚 Co 的混合粉末制备的 WC-12Co 硬质合金TEM 分析：（a–c）标记区域的 HAADF 图像显示 W2C 和 Co3W3C 共存，（d–f）对应于（a）区域的 EDS 元素分布图。

图 5. LPBF 制备的 WC-Co 硬质合金试样在 1410°C 下经 5 MPa 氩气气氛热处理后的典型 SEM 微观结构：（a）二次电子 SEM 图像，（b）背散射电子 SEM 图像。

图 6. 使用 WC-7Co 和团聚 Co 混合粉末制备的 LPBF 和热处理 WC-12Co 硬质合金的 XRD 图谱

图 7. 利用 WC-7Co 和团聚 Co 混合粉末制备的 LPBF-WC-12Co 试样经热处理后的 SEM 微观结构和 EDS 分析：（a）细 WC 颗粒和粗 WC 颗粒的交替分布特征，（b）等轴 WC 颗粒的显微照片，（c–f）片状 WC 颗粒的显微照片和对应于（d）区域的 EDS 元素分布图。

图 8. LPBF 制备并经热处理的 WC-12Co 试样中，使用 WC-7Co 和团聚 Co 混合粉末的细晶区域不同晶粒形态的取向分布图：（a、b）等轴 WC 晶粒，（c、d）片状 WC 晶粒。

图 9. 粉末和激光粉末床熔融 WC-Co 试样的微观组织和 EDS 分析：（a）混合超粗 WC 和团聚 Co 粉末的 SEM 形貌，（b、c）（a）对应的 W 和 Co 的 EDS 元素图，（d）低倍 SEM 图像显示 LPBF 成形的 WC-Co 试样中存在未熔合孔隙，（e）放大图像表明在凝固前 Co 基熔体有足够的流动性。

图 10. 使用超粗 WC 和团聚 Co 混合粉末制备的 WC-Co 试样的侧面 SEM 和 TEM 分析：（a）BSE 图像显示 WC 和 Co 的均匀分布，（b）网络状 Co的放大 BSE 图像，（c–f）Co 的明场 TEM 图像和相应的 EDS 元素分布图。

图 11. 使用超粗 WC 和团聚 Co 混合粉末制备的 LPBF 和热处理 WC-12Co 试样的 SEM 和 TEM 分析：（a–d）不同放大倍数的 BSE 图像，（e）富 Co 片状 WC 晶粒的 HAADF-STEM 图像和 EDS 元素映射结果，（f）片状 WC 晶粒的高分辨 TEM 图像。

图 12. 利用超粗 WC 和团聚 Co 混合粉末制备的 LPBF-WC-12Co 试样的 XRD 图谱：（a）LPBF 制备的试样，（b）在 5 MPa 氩气气氛中经 1410°C 热处理的试样。

图 13. LPBF 制备并经热处理的 WC-12Co 试样的 XRD 图谱。

图 14.  不同温度热处理后的 WC-12Co 试样的 SEM 微观结构：（a、b）900 °C，（c、d）1050 °C，（e、f）1200 °C。

主要结论

（1）钴相团簇化分布显著提升了LPBF成形质量。较大的熔融钴区域增强了液相流动能力，有效填充孔隙缺陷；同时凝固速率降低促进了应力松弛，使裂纹萌生得到有效抑制。

（2）钴富集区形成Co3W3C连续网络与Co(W,C)固溶体的复合结构。在后续热处理过程中，Co3W3C与碳发生原位反应生成片层状WC晶粒，伴随大量富钴颗粒的析出。

（3）微米级富钴颗粒通过位错滑移协调塑性变形，而纳米级析出相在不引发应力集中的前提下通过钉扎位错运动实现晶粒强化。这种多级结构设计使热处理后的LPBF成形WC-Co硬质合金实现了强度与韧性的同步提升。