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突破金屬3D列印天花板！廣島大學與三菱綜合材料開創「熱絲雷射」技術，實現無缺陷超硬鎢鋼增材製造

 

圖靈學院編輯部
2026-8-6

 

一、前言：「工業之牙」的製造困境與 3D 列印新曙光

 

    在現代工業領域中，碳化鎢-鈷硬質合金（WC–Co cemented carbide，俗稱「鎢鋼」）扮演著無可替代的角色。憑藉著極高的硬度、優異的耐磨性以及良好韌性，鎢鋼被廣泛應用於金屬切削刀具、礦山鑽頭、高精密度衝壓模具及各類耐磨零組件上，被譽為現代工業的「工業之牙」。傳統上，鎢鋼部件主要透過「粉末冶金（Powder Metallurgy）」技術製造。該製程先將碳化鎢（WC）硬質顆粒與金屬鈷（Co）黏結相粉末均勻混合，經過高壓成型後，再放入上千度的真空燒結爐中進行高溫燒結。雖然粉末冶金能製造出內部緻密、缺陷極少的高品質刀具，但其生產效益與材料利用率在面對「大型化」或「複雜異形」部件時卻顯得力不從心。大型燒結爐設備昂貴，且鎢鋼材料本身價格高昂，若整塊部件皆使用硬質合金製造，不僅成本驚人，更造成不必要的材料浪費。事實上，耐磨與切削性能往往僅需集中於部件的「特定表面」或「刃口位置」。因此，「增材製造（Additive Manufacturing, AM，即金屬3D列印）」技術成為近年材料學界與工業界的夢幻解答。透過3D列印，工程師不僅能自由製造複雜的內部冷卻通道，還能實現「多材料混合製造（Multi-material AM）」將昂貴的鎢鋼僅列印於刀具邊緣，基底則使用平價的鋼材，大幅降低生產成本。

二、致命魔咒：為什麼「鎢鋼 3D 列印」長期難以商業化？

 

    然而，將 3D 列印應用於鎢鋼製造並非易事。過往研究多採用粉末床熔融（PBF）、直接能量沉積（DED）或黏結劑噴射（Binder Jetting）等金屬粉末列印技術，但這些方法始終無法擺脫以下兩大致命痛點：

 

1. 碳化鎢高溫分解（WC Decomposition）： 雷射束的高能量密度會使加熱區溫度驟升，導致碳化鎢（WC）分解成脆性的半碳化鎢（W₂C）與石墨（Graphite）。W₂C 相的出現會極大地破壞材料的韌性與硬度，使列印出的部件極易崩裂。

2. 內部氣孔與微裂紋（Porosity & Microcracks）： 粉末熔化過程容易裹挾氣體，且高溫急速冷卻會產生龐大的殘留應力，導致內部產生大量氣孔缺陷。過往技術列印出的鎢鋼相對密度往往僅能達到約 98%，遠落後於傳統高壓燒結產品，無法滿足高強度刀具的工業標準。

 

為了徹底解決粉末缺陷，日本廣島大學丸本啓太（Keita Marumoto）博士、山本元道（Motomichi Yamamoto）教授與三菱綜合材料（Mitsubishi Materials Hardmetal Corporation）組成聯合研究團隊，提出了一項顛覆性的創新思維：放棄傳統金屬粉末，改採已預先高壓燒結完成的微粒鎢鋼棒材（WC–16% Co，直徑 2.7 mm）作為列印原料！

三、技術創新：熱絲雷射增材製造（Hot-Wire Laser AM）

 

    由於直徑 2.7 mm 的鎢鋼棒材硬度極高且體積較大，若僅靠高功率雷射將其融化，需要極高的熱輸入，這又會重蹈高溫分解的覆轍。為此，研究團隊導入了焊接領域的「熱絲法（Hot-Wire Method）」：透過給鎢鋼棒材通入脈衝電流（100 Hz，50% 占空比），利用電阻熱將棒材預熱至接近熔點的軟化狀態。隨後，再輔以低能量密度的半導體雷射進行精準熔合。這種「電阻預熱 + 雷射熔接」的雙重加熱機制，能大幅降低雷射能量需求，避免材料過熱分解。

四、科學探索歷程：三個實驗與重大發現

 

    為了找出最佳列印工藝，研究團隊針對雷射照射方式與基材互動進行了一系列嚴謹的對比實驗：

 

1. 試驗一：棒材導引法（Rod-Leading Method）失敗的嘗試

 

    研究團隊首先嘗試讓鎢鋼棒材行走於前方，雷射直接照射於棒材頂部（雷射光斑 2.3 mm x 3.0 mm）。高速攝影機捕捉到了強烈的飛濺（Sputter）與煙塵（Fume）。微觀結構分析與 X 射線繞射（XRD）檢測顯示，雷射直射區發生了嚴重的碳化鎢分解，檢測出大量脆性 W₂C 相與石墨，且內部充滿氣孔缺陷。這證實了只要雷射光束直射鎢鋼棒材，高溫分解便不可避免。

 

2. 試驗二：雷射導引法（Laser-Leading Method）抑止分解卻迎來新敵人

 

    團隊調整策略，將雷射光斑縮小至 2.0 mm，照射於棒材底部與鋼基材（S50C）之間的接縫處（雷射引導於前）。結果驚人：碳化鎢的高溫分解被成功抑止了！XRD 未檢測出任何 W₂C 相。然而，新問題隨之而來：過高的雷射熱量熔化了下方鋼基材，導致基材中的鐵（Fe）元素大量向上滲透入侵鎢鋼結構中。此外，研究團隊發現了顯著的「液相遷移現象（Liquid Phase Migration, LPM）」：由於列印體上下存在巨大的冷卻溫差，熔融態的鈷（Co）金屬在表面張力與液相分率差異的驅動下（依據 Lisovsky 理論），從底部向頂部遷移，導致局部鈷含量由 16% 暴增至 30%。鐵元素入侵加上鈷濃度不均，使列印出的硬度大幅下滑至 1000 HV 左右。

 

3. 試驗三：關鍵終極武器「鎳基合金（Ni-based Alloy）中間層」

 

    為了阻絕基材鐵元素的污染，並降低雷射能量，團隊發明了「中間層防禦法」：在碳鋼基材上先利用熱絲雷射沉積一層厚度約 2 mm 的鎳基合金（ASTM B435 Wire）作為緩衝中間層，再於其上列印鎢鋼棒材。

 

鎳基中間層的三大關鍵作用：
1. 鐵元素防護牆： 完全阻擋基材 Fe 元素滲透進入鎢鋼熔池。
2. 形成保護熔池（Fillet）： 熔化的小量鎳基合金在棒材下方形成完美的潤濕角，雷射能量被鎳基液體吸收，防止雷射直射鎢鋼棒材。
3. 熱積累緩衝： 穩定熱傳導速率，顯著降低液相遷移（LPM）帶來的鈷濃度梯度。

五、突破性成果：媲美傳統燒結的完美「超硬鎢鋼」

 

    採用「鎳基中間層 + 雷射導引熱絲法」後，研究團隊取得了震撼材料學界的完美成果：

 

 

電子背向散射繞射（EBSD）分析進一步揭示，在列印結尾階段，鈷相發生了完全熔化與重結晶，形成了全新的晶體方位，且碳化鎢顆粒依然保持在次微米級（Sub-micron）的超細狀態。這證明了只要精準控制棒材端部溫度（高於鈷熔點、低於 WC 分解點），就能在不破壞原始燒結棒材優異微觀結構的前提下，實現高強度的增材製造。

六、結論與未來展望：工業 3D 列印的新紀元

 

    這項由廣島大學與三菱綜合材料聯手開發的「熱絲雷射硬質合金增材製造技術」，成功破解了鎢鋼 3D 列印長達數十年的技術瓶頸。透過「預燒結棒材餵給」、「熱絲電流預熱」與「鎳基中間層隔絕」的三合一創新，不僅實現了零分解、無氣孔的工業級鎢鋼列印，更將維氏硬度提升至 1400 HV 以上的頂級水準。這項突破意味著，未來的工業刀具、採礦鑽頭與高性能模具製造，將不再受限於大型高壓燒結爐的尺寸限制。製造商可以靈活地在平價鋼材部件的關鍵磨損部位，以 3D 列印「精準塗覆」超硬鎢鋼，甚至製作具備複雜內部冷卻渠道的高性能複合刀具，預計將大幅降低高階製造業的材料與生產成本，為金屬增材製造開啟全新篇章！

 

 

參考文獻 

Marumoto, K., Abe, T., Nagamori, K., Ichikawa, H., Nishiyama, A., & Yamamoto, M. (2026). Effect of the hot-wire laser irradiation method and a Ni-based alloy middle layer on mechanical properties and microstructure in additive manufacturing of WC–Co cemented carbide. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 136, 107624. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2025.107624