呂明生、陳溪山、蕭威典、陳泰盛、賴宏仁 / 工研院材化所
超合金是一種具有優異高溫性能的高性能合金，包含良好的高溫強度、抗潛變性、抗疲勞性，以及耐高溫腐蝕與抗氧化等多種性能，常使用於嚴苛的環境下，例如飛機與發電廠之燃氣渦輪發動機、石化設備等應用。本文介紹金屬粉末材料製備技術，包含氣體霧化法、鎳基超合金粉末技術，以及金屬積層製造應用，同時說明雷射金屬沉積技術與鎳基超合金部品製造與維修應用。放眼國內發展航太發動機用超合金粉末與雷射積層製造技術，預期未來可帶來龐大商機。
【內文精選】
全球航太產業市場的發展趨勢
3. 節能減碳綠色製程的需求
航空運輸與公民營電廠所使用之發動機高溫超合金葉片等部品，通常以金屬熔煉鑄造、鍛造、銲接與CNC加工程序，常使用大型貴重設備與高耗能高溫加工製程。同時燃氣渦輪機葉片等常需要更換與再生，以避免無法承受熱燃氣高溫而損壞。因此，有必要提升既有機組效率、減少燃料耗用，以達到CO2減量目的。國外一項研究指出，金屬粉末3D列印製程實為一種綠色製程，相較於傳統鑄造/鍛造/CNC減法加工，利用金屬3D列印加法成型來製造超合金發動機部品，可減少60%材料浪費及能源消耗，並且減少碳排放量約73.9%。
鎳基合金粉體材料技術發展
2. 積層製造用氣體霧化粉末技術開發
在經濟部科技專案支持下，工研院材料與化工研究所已完成高性能合金粉末霧化技術開發，包括例如航太用17-4 PH不鏽鋼、鋁合金與鎳基超合金等粉末製作。由於國內航太領域對於高性能合金粉末需求量大，尤其是17-4 PH不鏽鋼與鎳基超合金粉末，因此，工研院進行高性能合金粉末產量提升技術開發，包含高性能合金粉末產能提升技術與高性能合金粉末利用率提升技術等兩大技術重點。
3. 工研院氣體霧化製粉技術應用
工研院在院內已經建立特用合金粉末試量產/驗證技術平台，主要核心技術為透過合金材料設計與製作、氣氛控制、粉末粒徑控制以及造粒控制技術，達成高流動性合金粉體製備，並提升粉體真圓度與緻密堆積度，降低燒結後合金之收縮率，維持產品的精度。此外，針對不同粉末成型及其後製程技術，提供符合該製程之粉末形態，進行各製程參數建立，並進行微結構分析、物理性質及機械性質分析，建立較佳之製程參數。
(3) 鐵基合金粉末材料
工研院材化所投入氣體霧化系統設計、模擬與氣體霧化系統，並完成多種鐵基合金粉末開發。圖七為鐵基合金粉末與3D列印製程開發案例，顯示鐵基合金粉末、成型件的機械性質。其中3D列印17-4 PH合金試樣最大拉伸強度(UTS)平均值可達到1,413 ± 18.9 MPa，降伏強度(YS)>700 MPa，伸長量為12.7% ± 1.9，經過熱處理後硬度由Hv 389提升到Hv 473，UTS可達1,535 MPa，伸長率>14%。
圖七、鐵基合金粉末與3D列印製程開發案例
(4) 非晶質高熵合金粉末材料
整合工研院與產學界之技術特長，快速建立3D列印用之鈦基非晶質金屬材料、合金粉體霧化、雷射燒熔等關鍵自主技術，一舉突破進口3D列印粉體高成本及粉體材料專利之束縛，催生由金屬原料、粉體、製程設備至終端應用之完整金屬積層製造產業供應鏈，落實國內醫材產業聚落之生成。
雷射金屬沉積技術應用發展
3. 鎳基超合金航太部品維修之應用例
工研院材化所在上游材料方面，已完成發動機用鎳基超合金(IN738、IN713)等高溫材料之成分設計、真空熔煉與氣體霧化製備技術開發。並依據ISO/ASTM 52907規範，完成粉末化學成分、粉末粒徑及流動性等性能評估。將圓球狀粉末粒徑篩選在40~120 μm之範圍內，符合雷射沉積應用之需求。在維修應用方面，亦已建立鎳基超合金工件雷射沉積修補技術。圖十一所示為鎳基超合金精密鑄造件經LMD維修之範例，所使用雷射功率在800~1,200 W，表面修補沉積層厚度可達2~3.5 mm，沉積層材料緻密度達99%以上。經分析雷射沉積鎳基材料金相組織與成分，修補層成分與基材相同，所修補之發動機精密鑄造部品與試片，已送至合作廠商並通過非破壞性檢測等驗證。在科專技術平台推廣，鏈結中佑、漢翔等國內公司，合作進行飛機發動機精密鑄造葉輪雷射維修與再生技術開發，建立在地自主技術能量，加速切入國內外市場 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十一、精密鑄造鎳基超合金航太鑄件之LMD維修例
★本文節錄自《工業材料雜誌》444期，更多資料請見下方附檔。