蕭威典、劉武漢、陳璿光、陳泰盛、岳俊緯 / 工研院材化所
直接雷射沉積技術可以快速沉積金屬材料製作成為所需的形體。本文將直接雷射沉積技術的應用範圍簡單區分為三種應用方式做介紹，分別為3D列印製造新元件、修補元件與表面堆疊塗層。在3D列印製造新元件部分，直接雷射沉積技術具有快速成形之優點，可以藉由粉體材料輸送進入雷射熔融區域，使粉末融化後快速堆積成型3D元件。修補元件與表面堆疊塗層部分，直接雷射沉積技術所使用之粉末材料可以調控不同的材料組成，或是混入陶瓷材料配分進行改質；在修補元件或堆疊塗層後，可以獲得材料性質符合需求的組成配方，並且藉由組成配方的調控，改變堆疊後材料的硬度、強度或韌性等材料性質。
【內文精選】
3D列印元件
直接雷射沉積層材料在製作後可形成與沉積方向平行的柱狀晶粒結構，這種現象的形成原因，主要是由於熱量容易從基板的方向流動而產生。熱影響區在直接雷射沉積後顯而易見，可以在沉積層和底材的界面之間觀察到微熱影響區的存在。由於在沉積過程中，沉積層會重覆再加熱，因此亦常發現較為巨觀的熱影響區。直接雷射沉積元件的特性會依據不同的構建方向而產生變化，主要是因為微觀和巨觀熱影響區的存在，而導致的微結構變化。元件的表面粗糙度會根據雷射功率而變化，低功率雷射產生的表面比高功率雷射產生的表面更為光滑。
透過雷射特性的改良，直接雷射沉積技術可以直接構建3D立體形狀的新品元件，如薄壁結構和自由形狀構造，已可以藉由調控雷射光斑尺寸及雷射功率來達成。直接雷射沉積技術不受到尺寸的限制，可以製作大型的工件。目前在航空工業的應用中，常用在各類金屬元件的修復，或是作為直接成形元件的製造。直接雷射沉積技術透過快速冷卻的凝固過程，可提供直接雷射沉積細晶粒的結構，並結合優異的機械性能。
修復
直接雷射沉積技術可用於修復燃氣渦輪發動機的各種元件，包括修復葉片的軸承座，或是用於燃氣渦輪發動機的軸承維修。另外當軸承箱的尺寸超出公差範圍時，也可藉由直接雷射沉積技術的修復以恢復原來的功能，除了可以降低替換所需成本，亦可以縮短停機時間。直接雷射沉積技術亦可應用於修復壓縮機的密封件，密封件對於防止燃氣渦輪發動機中的氣體洩漏是相當重要的，不僅節省了時間，而且維修的成本約只需不到新品的十分之一，是相當划算的一種修復方式。圖二所示為直接雷射沉積層的堆疊與修復。
圖二、直接雷射沉積層的堆疊與修復，(a)沉積層製作後；(b)研磨加工後
熔覆塗層
雷射熔覆所製作的塗層性質，主要和選用的粉末材料材質與型態等有相當重要的關聯性。適當的粉末材料選用，可得到良好的雷射熔覆塗層。另外，藉由陶瓷硬質顆粒適當地混入金屬粉末中，有助於提高雷射熔覆層製作後塗層的硬度。
磨耗、磨損、腐蝕或疲勞等是工程應用上常見的問題，會影響到機械元件的使用壽命。磨耗的形成將對經濟產生極大的影響，因為磨耗現象會導致零件需要更換、維修或維護，造成材料成本增加，且可能因為工廠的停產造成生產損失。雷射熔覆塗層提供一種減少磨耗、腐蝕或疲勞的解決方案，被廣泛認為是許多塗層製作技術中重要的部分。機械元件的使用過程中，表面的故障大多數是由於磨耗、疲勞或腐蝕所引起。到目前為止，耐磨耗及耐腐蝕塗層的應用，是常見用來保護機械元件的方法之一。雷射熔覆塗層具有改變表面化學成分的優點，可以藉由材料配方的設計，製作成為複合性能，或是複合材料組成的雷射熔覆塗層。
儘管與傳統的製造技術相比有優勢，但雷射熔覆還是存在一些缺點，例如雷射高度集中的能量及高速度的掃描會產生較大的溫度梯度，使得耐熱震能力較差的塗層材料製作較為困難。常見用來描述雷射熔覆塗層的特性或特徵的幾個數據，主要藉由單一道塗層的橫截面特徵來表示，包括：熔覆層高度、寬度、深度、橫截面積、熱影響區深度、熱影響區面積及潤濕角等，如圖五雷射熔覆單層的橫截面特徵示意圖所示 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖五、雷射熔覆單層的橫截面特徵示意圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》443期，更多資料請見下方附檔。