中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院：核電用316L不銹鋼粉末增材制造研究現(xiàn)狀！

增材制造技術(shù)是一種無須模具、近凈成形的先進(jìn)制造工藝。不銹鋼是一種在核電行業(yè)廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)材料。實(shí)現(xiàn)不銹鋼結(jié)構(gòu)件的增材制造將進(jìn)一步推動(dòng)增材制造技術(shù)的發(fā)展，也可為核行業(yè)帶來革命性改變。近日，中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊青峰、高士鑫、陳平、廖楠、周毅、尹春雨、段振剛和尹泓卜等學(xué)者在《精密成形工程》期刊發(fā)表了最新綜述“核電用316L不銹鋼粉末增材制造研究現(xiàn)狀”，以核電用316L不銹鋼為例，系統(tǒng)闡述了不銹鋼粉末增材制造研究現(xiàn)狀，包括粉末制備工藝現(xiàn)狀、增材制造成形工藝現(xiàn)狀以及成形件的組織性能研究現(xiàn)狀。楊青峰碩士為第一作者，陳平博士為通訊作者。

目前，增材制造用316L不銹鋼粉末的制備工藝主要為霧化法，粉末的物化性能受制粉工藝參數(shù)的影響。在激光粉末床熔融增材制造技術(shù)、電子束選區(qū)熔化技術(shù)和等離子增材制造技術(shù)中，尤以激光粉末床熔融增材制造不銹鋼的應(yīng)用最為廣泛。增材制造316L不銹鋼的組織與性能存在各向異性，但各向異性可通過增材制造的后處理技術(shù)消除。增材制造最為常用的后處理技術(shù)為熱處理。與鍛造316L不銹鋼相比，經(jīng)熱等靜壓處理的增材制造316L不銹鋼的力學(xué)性能與輻照性能更優(yōu)。核用不銹鋼的增材制造技術(shù)還處于起始階段，后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注增材制造的成形機(jī)理及成形材料中子輻照性能等內(nèi)容。

隨著我國核電事業(yè)的快速發(fā)展，部分核能設(shè)備的設(shè)計(jì)變得更加精密復(fù)雜，這部分核能設(shè)備若采用傳統(tǒng)制造工藝生產(chǎn)，則存在生產(chǎn)周期長、制造工序多的問題，而采用增材制造工藝可以實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)設(shè)備的高效生產(chǎn)。

增材制造（又稱3D打�。┘夹g(shù)是一種高效、清潔、近凈成形的新型制造技術(shù)。其原理如下：首先將產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)模型分解成若干層平面切片，然后利用激光束、電子束等能量源將粉狀或絲狀的原材料進(jìn)行逐層堆積，通過層層疊加最終形成具有良好冶金結(jié)合的產(chǎn)品。近些年，增材制造技術(shù)已逐步從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模向工業(yè)規(guī)模發(fā)展。

不銹鋼具備優(yōu)良的耐氧化性能、力學(xué)性能和抗腐蝕性能，在核電領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。尤其是福島事故之后，不銹鋼（如Fe-Cr-Al鐵素體不銹鋼材料、316Ti和15–15Ti奧氏體不銹鋼等）被選為輕水堆耐事故燃料（Accident Tolerant Fuel,ATF）材料的主要研發(fā)方向之一。此外，不銹鋼材料具有良好的焊接性能，因此采用增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)其較好的冶金結(jié)合與成形，將增材制造技術(shù)引入核電領(lǐng)域必將有利于耐事故燃料材料的發(fā)展與應(yīng)用。

與鈦合金增材制造相比，目前關(guān)于耐事故不銹鋼材料的增材制造研究明顯較少，核電用不銹鋼增材制造技術(shù)的研究是近些年來的研究熱點(diǎn)之一。本文以核電用316L不銹鋼為例，對不銹鋼粉末增材制造的研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，闡述了316L不銹鋼粉末的制備工藝、增材制造成形工藝、增材制造316L不銹鋼的組織性能以及輻照后成形件的性能，并對后續(xù)不銹鋼增材制造的應(yīng)用與研究提出了相關(guān)建議。

1 粉末制備工藝

增材制造用金屬粉末的制備工藝主要有還原法、電解法、機(jī)械研磨法、霧化法等。其中，機(jī)械研磨法的生產(chǎn)效率較低，而還原法、電解法和霧化法的生產(chǎn)效率較高，因此后三者通常在工業(yè)生產(chǎn)中普遍應(yīng)用，但是電解法和還原法僅適用于生產(chǎn)單質(zhì)金屬粉末，不適用于不銹鋼等合金粉末的生產(chǎn)。目前，增材制造用316L不銹鋼粉末的制備工藝主要為霧化法，優(yōu)化霧化工藝可以控制粉末形狀，改進(jìn)霧化腔結(jié)構(gòu)可以顯著提高霧化效率。

霧化法是一種直接使金屬熔液破碎成小尺寸顆粒的制粉方法。目前霧化法主要有等離子體旋轉(zhuǎn)電極法（Plasma Rotating Electrode Method）、等離子霧化法（Plasma Atomization）和氣霧化法（Aerosolization）等，其中氣霧化法又可分為電極感應(yīng)熔煉氣霧化法（Electrode Induction Melting Gas Atomization Method）、真空感應(yīng)熔煉氣霧化法（Vacuum Induction Melting Gas Atomization Method）、緊耦合霧化法（Tightly Coupled Atomization）和層流霧化法（Laminar Atomization）等。不同霧化工藝的特點(diǎn)如表1所示。

表1 不同霧化工藝的特點(diǎn)

粉末的物化性能受制粉方法和制粉工藝的影響，研究發(fā)現(xiàn)，真空感應(yīng)熔煉氣霧化法的制粉工藝參數(shù)對粉末化學(xué)成分均勻性、粉末粒徑分布、松裝密度、球形度等物化性能有著十分重要的影響，而且不同尺寸的粉末具有不同的微觀組織形貌。粉末的形貌、粒度及分布、松裝密度等物化性能對后續(xù)增材制造的成形性有著重要影響，粉末質(zhì)量處理不好，不僅會(huì)影響增材制造的成形質(zhì)量，甚至?xí)�造成打印過程無法連續(xù)進(jìn)行，因此需要嚴(yán)格控制不銹鋼粉末的粒度及分布、松裝密度等物化性能。

2 增材制造工藝
根據(jù)所用能量源的不同，核電用316L不銹鋼粉末的增材制造工藝主要有激光增材制造、電子束增材制造和等離子束增材制造，粉末的供給方式主要有鋪粉和同軸送粉2種。

激光粉末床熔融增材制造技術(shù)。激光粉末床熔融增材制造（SLM）技術(shù)的工藝流程如下：鋪粉機(jī)構(gòu)首先在艙室的基板上均勻鋪一層粉末，然后激光按照預(yù)先設(shè)定的路徑施加能量，粉末吸收激光能量后發(fā)生熔化并凝固，完成該層掃描后，基板下降，鋪粉機(jī)構(gòu)繼續(xù)鋪粉，依次循環(huán)直至樣件完成，激光粉末床熔融增材制造示意圖如圖1所示。通過研究激光粉末床熔融增材制造工藝參數(shù)對316L不銹鋼試樣的影響，發(fā)現(xiàn)隨著掃描功率的增加，試樣組織中的孔洞和裂紋等缺陷減少，而隨著掃描速度和掃描間距的增加，試樣的致密度有所降低，并通過優(yōu)化SLM工藝參數(shù)，最終制得了致密度為95.62%的試樣。采用激光粉末床熔融增材制造技術(shù)打印316L不銹鋼，雖然成形效率較低（3.12 mm3/s），但樣品的致密度可達(dá)99.3%～99.5%。除激光粉末床熔融增材制造的工藝參數(shù)外，掃描路徑方式的選擇也會(huì)對成形件的組織性能產(chǎn)生影響。通過研究S形正交和旋轉(zhuǎn)分區(qū)2種激光掃描方式對激光粉末床熔融增材制造316L不銹鋼組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用旋轉(zhuǎn)分區(qū)方式進(jìn)行掃描，樣件的室溫拉伸強(qiáng)度要高于S形正交掃描樣件的室溫拉伸強(qiáng)度。

圖1 激光粉末床熔融增材制造示意圖

電子束選區(qū)熔化技術(shù)。電子束選區(qū)熔化技術(shù)與激光粉末床熔融增材制造技術(shù)非常相似，該工藝只是將成形能量源由激光換為電子束。另外與激光粉末床熔融增材制造技術(shù)相比，電子束選區(qū)熔化技術(shù)的成本明顯降低，這主要是由于電子束選區(qū)熔化技術(shù)所使用的粉末粒徑通常要大于激光粉末床熔融增材制造技術(shù)所使用的粉末粒徑。通過研究電子束選區(qū)熔化技術(shù)的工藝參數(shù)對成形件表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)先采用低電子束功率掃描，再采用高電子束功率掃描，可顯著改善成形件的表面粗糙度。除采用工藝實(shí)驗(yàn)來保障成形件質(zhì)量外，還可采用理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方法（如研究電子束成形過程中粉末的熔化機(jī)制）保障成形件的質(zhì)量。

基于同軸送粉的等離子增材制造技術(shù)�；�于同軸送粉的等離子增材制造技術(shù)是將等離子束作為熱源，相較于鋪粉工藝，采用同軸送粉工藝可顯著提高粉末的利用率，而且采用同軸送粉工藝可不受成形方向和零件復(fù)雜程度的限制，因此同時(shí)也提高了成形效率。通過研究等離子增材制造成形工藝參數(shù)對焊道尺寸的影響，發(fā)現(xiàn)電流參數(shù)對焊道寬度的影響大于送粉速度參數(shù)的影響，通過優(yōu)化工藝，打印316L不銹鋼的拉伸強(qiáng)度可達(dá)560 MPa，其性能明顯高于鑄件水平。

以上3種增材制造技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示，在這3種增材制造技術(shù)中，尤以激光粉末床熔融增材制造技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛，因此后文關(guān)于增材制造316L不銹鋼組織性能的研究主要集中于激光粉末床熔融增材制造316L不銹鋼的組織性能。

表2 不同增材制造工藝的對比

3 成形件組織與性能

3.1 輻照前
增材制造316L不銹鋼的組織形貌與增材制造過程中的熱量場分布狀態(tài)密切相關(guān)，在3D打印過程中，熔池的冷卻速率可達(dá)102～106 K/s，因此增材制造316L不銹鋼的組織呈現(xiàn)典型的快速凝固特征。另外在3D打印過程中，當(dāng)打印下一層材料時(shí)，上一層已沉積的材料會(huì)受到往復(fù)退火/回火處理，從而使增材制造成形件的組織呈現(xiàn)出“鑄態(tài)+不完全熱處理”復(fù)雜的組織特征。增材制造這些特有的成形過程恰好可實(shí)現(xiàn)組織優(yōu)化的目標(biāo)，使增材制造成形件具有良好的力學(xué)性能。

增材制造與軋制工藝。冷軋和激光粉末床熔融增材制造2種成形工藝制造的316L不銹鋼組織如圖2所示。可以看到，打印316L不銹鋼的金相中有3D打印特有的層帶結(jié)構(gòu)，這是打印過程中許多微小熔池凝固后形成的。冷軋不銹鋼的組織為細(xì)小的等軸晶，在SLM–316L不銹鋼的組織中，在熔線附近分布著不同的亞晶結(jié)構(gòu)（胞狀和柱狀）。通過對比激光粉末床熔融增材制造316L不銹鋼和冷軋316L不銹鋼的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)與冷軋316L不銹鋼相比，激光粉末床熔融增材制造316L不銹鋼的抗拉強(qiáng)度和伸長率較低，但屈服強(qiáng)度較高。

圖2 冷軋316L不銹鋼和SLM–316L不銹鋼金相及SEM圖

增材制造與鍛造工藝。對激光粉末床熔融增材制造316L不銹鋼分別進(jìn)行去應(yīng)力退火（SR）和熱等靜壓處理（HIP），發(fā)現(xiàn)經(jīng)去應(yīng)力退火處理的3D打印316L不銹鋼試樣的微觀結(jié)構(gòu)具有各向異性。316L不銹鋼背散射電子圖如圖3所示�？芍�，在x–y平面內(nèi)為等軸晶，在y–z平面內(nèi)為柱狀晶，亞晶粒沿打印高度方向明顯變長，3D打印316L不銹鋼經(jīng)熱等靜壓處理后晶粒發(fā)生長大，晶粒尺寸增加，而且經(jīng)熱等靜壓處理后的3D打印316L不銹鋼試樣的組織形貌與鍛造316L不銹鋼的非常相似。拉伸結(jié)果表明，經(jīng)去應(yīng)力退火處理的3D打印316L不銹鋼試樣的拉伸性能存在各向異性，與打印高度方向相比，沿垂直于打印高度方向具有更高的屈服應(yīng)力和極限拉伸應(yīng)力，但在該方向上的伸長率較低。經(jīng)熱等靜壓處理后的3D打印316L不銹鋼試樣的屈服應(yīng)力和極限拉伸應(yīng)力略高于鍛造316L的，但兩者的伸長率相當(dāng)。

圖3 316L不銹鋼背散射電子圖

腐蝕性能。通過電化學(xué)實(shí)驗(yàn)對比研究了SLM成形316L不銹鋼和鍛造不銹鋼的耐腐蝕性能，結(jié)果表明，與鍛造不銹鋼相比，SLM打印316L不銹鋼具有更好的耐點(diǎn)蝕性能。對去應(yīng)力退火的SLM打印316不銹鋼和鍛造316L不銹鋼開展了應(yīng)力腐蝕開裂實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)去應(yīng)力退火的SLM打印316不銹鋼的應(yīng)力腐蝕具有各向異性。在氧化性水中，SLM打印316不銹鋼沿打印高度方向的裂紋擴(kuò)展速率遠(yuǎn)高于垂直于打印高度方向和鍛造316L不銹鋼的裂紋擴(kuò)展速率。在還原性水中，所有試樣的應(yīng)力腐蝕開裂速率顯著降低，但SLM打印316不銹鋼沿打印高度方向的裂紋擴(kuò)展速率仍稍高于垂直于打印高度方向和鍛造316L不銹鋼的裂紋擴(kuò)展速率。

增材制造后處理工藝的影響。通過研究不同熱處理工藝對激光粉末床熔融增材制造316L不銹鋼組織與性能的影響，發(fā)現(xiàn)對激光粉末床熔融增材制造316L不銹鋼進(jìn)行去應(yīng)力退火后，其胞狀亞結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，但對激光粉末床熔融增材制造316L不銹鋼進(jìn)行完全退火處理和熱等靜壓處理后，激光粉末床熔融增材制造316L不銹鋼中的胞狀亞結(jié)構(gòu)消失，其疲勞強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯降低，但其塑性得到了改善。即使采用同一類型的熱處理工藝，當(dāng)熱處理溫度不同時(shí)，激光粉末床熔融增材制造316L不銹鋼的組織與性能也會(huì)存在不同。研究發(fā)現(xiàn)，在未經(jīng)熱處理的激光粉末床熔融增材制造316L不銹鋼中存在較多的亞晶結(jié)構(gòu)，隨著熱處理溫度的升高，亞晶結(jié)構(gòu)逐漸消失，大角度晶界比例增加，并且隨著熱處理溫度的升高，激光粉末床熔融增材制造316L不銹鋼的硬度有所下降


3.2 輻照后
中子輻照。目前國內(nèi)外對增材制造316L不銹鋼的輻照性能已展開了相關(guān)研究，但更多的研究主要集中于增材制造316L不銹鋼離子輻照性能，其中關(guān)于中子輻照性能的研究較少。美國西屋公司于2019年對增材制造316L不銹鋼中子輻照后（約1 dpa）的拉伸性能進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)中子輻照后，增材制造316L不銹鋼的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有所增加，而伸長率有輕微的降低。

質(zhì)子輻照。針對去應(yīng)力退火的選區(qū)激光熔化成形316L不銹鋼試樣（以SR–SLM–316L表示），研究了質(zhì)子輻照（360℃，2.5 dpa）后SR–SLM–316L不銹鋼的微觀組織以及輻照誘導(dǎo)應(yīng)力腐蝕斷裂（IASCC）現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)質(zhì)子輻照后，在SR–SLM–316L不銹鋼試樣中發(fā)生了明顯的回復(fù)和再結(jié)晶現(xiàn)象，并觀察到了輻照誘導(dǎo)產(chǎn)生的氣孔、位錯(cuò)環(huán)和γ′相。相較于熱等靜壓處理的選區(qū)激光熔化成形316L不銹鋼試樣（以HIP–SLM–316L表示），SR–SLM–316L不銹鋼中位錯(cuò)環(huán)密度更高。與鍛造316L不銹鋼相比，輻照后打印316L不銹鋼（SR–SLM–316L和HIP–SLM–316L）中位錯(cuò)環(huán)密度更高、尺寸更小。輻照后，SR–SLM–316L試樣的應(yīng)力腐蝕開裂具有各向異性，沿平行于打印高度方向具有較低的敏感性。與鍛造316L不銹鋼相比，HIP–SLM–316L具有更好的抗腫脹性能和高抗輻照誘導(dǎo)應(yīng)力腐蝕斷裂性能。

氦離子輻照。通過氦離子對選區(qū)激光熔化成形316L不銹鋼進(jìn)行輻照，研究不同輻照溫度對選區(qū)激光熔化成形316L不銹鋼組織與輻照硬化行為的影響�？梢园l(fā)現(xiàn)，輻照后在激光熔化成形316L不銹鋼中出現(xiàn)的微觀缺陷主要是氦泡和位錯(cuò)環(huán)，兩者的數(shù)密度均隨著溫度的升高而降低，而兩者的尺寸均隨著溫度的升高而逐漸增大，但相比之下，氦泡的溫度敏感性要略高于位錯(cuò)環(huán)的。此外，SLM成形316L不銹鋼的輻照硬化隨溫度的升高而降低，氦泡對SLM成形316L不銹鋼的輻照硬化起到的貢獻(xiàn)要大于位錯(cuò)環(huán)的貢獻(xiàn)。隨著輻照劑量的增加，SLM打印316L不銹鋼中的氦泡尺寸也隨之增大，但與傳統(tǒng)316L不銹鋼相比，SLM打印316L不銹鋼中的氦泡密度和腫脹率均比較小。輻照后在SLM打印316L不銹鋼和傳統(tǒng)工藝制備的316L不銹鋼中均出現(xiàn)了輻照硬化現(xiàn)象，但與傳統(tǒng)工藝制備的316L不銹鋼相比，SLM打印316L不銹鋼輻照硬化的程度更低。

3.3 小結(jié)
通過以上研究發(fā)現(xiàn)增材制造316L不銹鋼的晶粒尺寸較細(xì)小，且與傳統(tǒng)鍛造不銹鋼相比，增材制造316L不銹鋼具有更好的耐點(diǎn)蝕性能。但增材制造316L不銹鋼的組織形貌在打印高度方向和打印水平方向存在明顯的不均勻性，在打印水平方向上，選區(qū)激光熔化成形316L不銹鋼具有等軸晶，而在打印高度方向上晶粒有所拉長，組織上的差異導(dǎo)致其在不同方向上的性能存在各向異性。各向異性在核電應(yīng)用上是不利的，但可通過增材制造的后處理技術(shù)進(jìn)行消除。目前增材制造最為常用的后處理技術(shù)為熱處理，特別是熱等靜壓處理。經(jīng)熱等靜壓處理的增材制造316L不銹鋼的組織和鍛造不銹鋼的組織相似，與鍛造316L不銹鋼相比，其屈服強(qiáng)度和極限拉伸應(yīng)力更高、抗腫脹性能和抗輻照誘導(dǎo)應(yīng)力腐蝕斷裂性能更好，而二者伸長率較為接近。

經(jīng)過輻照后，增材制造316L不銹鋼出現(xiàn)輻照硬化現(xiàn)象，其拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有所增加，而伸長率下降，但與傳統(tǒng)工藝制備的316L不銹鋼相比，增材制造316L不銹鋼輻照硬化的程度較低。經(jīng)過氦離子輻照后，增材制造316L不銹鋼中出現(xiàn)的輻照缺陷主要是氦泡和位錯(cuò)環(huán)，與傳統(tǒng)工藝制備的316L不銹鋼相比，增材制造316L不銹鋼中的氦泡密度和腫脹率均較小。對于增材制造316L不銹鋼，不同的增材制造后處理工藝導(dǎo)致其輻照后缺陷有所不同，質(zhì)子輻照后，相較于熱等靜壓處理的選區(qū)激光熔化成形316L不銹鋼，去應(yīng)力退火的選區(qū)激光熔化成形316L不銹鋼中位錯(cuò)環(huán)密度更高，且其應(yīng)力腐蝕開裂具有各向異性。

4 核電316L不銹鋼要求
對于核電用316L不銹鋼的指標(biāo)要求，需要考慮不銹鋼特殊的使用環(huán)境，特別是對于直接工作在核反應(yīng)堆芯內(nèi)的不銹鋼，如核燃料組件用不銹鋼，因?yàn)榉�役環(huán)境的限制，不銹鋼需要耐腐蝕、耐疲勞、耐輻照蠕變，同時(shí)不會(huì)因輻照產(chǎn)生過多的放射性材料。

4.1 化學(xué)成分
在不銹鋼的化學(xué)成分中，對部分元素有特別要求。下文介紹了部分元素在核電領(lǐng)域的要求。

鈷（Co）元素。Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制≤0.12%，且越低越好。因?yàn)殁捲�素在核反�?yīng)堆芯輻照后，可能產(chǎn)生放射性同位素鈷（60Co），其半衰期長達(dá)5.27年，在核電站維修、燃料后處理階段會(huì)對操作人員造成傷害。

碳（C）元素：C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制≤0.035%。碳元素在奧氏體不銹鋼中的溶解度為0.02%～0.03%，超過此范圍后，多余的碳會(huì)在晶界形成碳化鉻沉淀，使晶界附近形成“貧鉻區(qū)”。若在后續(xù)的加工處理過程中不加以控制，易產(chǎn)生局部腐蝕，從而影響構(gòu)件的耐腐蝕性能。

鉻（Cr）元素：Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在18.50%～20.00%。當(dāng)鋼中Cr的原子數(shù)分?jǐn)?shù)不低于12.5%時(shí)，可有效阻止電化學(xué)腐蝕的發(fā)生。另外考慮到構(gòu)件的塑性及抗輻照蠕變要求，應(yīng)嚴(yán)格控制鉻元素含量在一定范圍內(nèi)。

4.2 性能要求
在前文中提到，核用不銹鋼除在拉伸、沖擊等常規(guī)力學(xué)性能方面有相應(yīng)要求外，一般還要求其耐腐蝕、耐疲勞、耐輻照蠕變，且力學(xué)性能指標(biāo)一般比國標(biāo)中規(guī)定的指標(biāo)要高。例如，在GB/T 3280中要求不銹鋼的屈服強(qiáng)度要不小于180 MPa，在核電領(lǐng)域?qū)Σ糠植讳P鋼要求屈服強(qiáng)度要不小于210 MPa。打印態(tài)SLM–316L的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率分別為409～680 MPa、509～773 MPa、12%～87%，根據(jù)核電對部分不銹鋼的性能要求（屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率分別為210 MPa、485 MPa、40%)，可以發(fā)現(xiàn)SLM打印316L不銹鋼的性能可以滿足核電需求。

在SLM打印316L不銹鋼過程中，由于熔池中的溫度梯度較大，最后凝固形成的晶粒尺寸較小。根據(jù)Hall–Petch公式，晶粒尺寸越小，材料的屈服強(qiáng)度越高。關(guān)于SLM打印316L不銹鋼高強(qiáng)高韌化機(jī)理，目前的觀點(diǎn)主要有凝固后形成的胞結(jié)構(gòu)、高位錯(cuò)密度、位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、<011>織構(gòu)誘導(dǎo)的TWIP效應(yīng)、納米氧化物顆粒、晶體層片狀結(jié)構(gòu)及非均勻?qū)蛹壗Y(jié)構(gòu)。SLM制備的高強(qiáng)高韌化316L不銹鋼構(gòu)件對不銹鋼在核電領(lǐng)域的應(yīng)用是有利的。

在SLM打印過程中，在打印下一層316L不銹鋼粉末時(shí)，已經(jīng)凝固的316L不銹鋼會(huì)受到熱的作用，也就是說，在打印過程中，316L材料經(jīng)歷了復(fù)雜的熱處理過程，導(dǎo)致打印316L不銹鋼中通常存在較大的殘余應(yīng)力，這對316L不銹鋼在核電領(lǐng)域的應(yīng)用是不利的。因此，一般打印316L不銹鋼需要進(jìn)行打印后熱處理，以消除打印構(gòu)件的殘余應(yīng)力。

在SLM打印316L不銹鋼構(gòu)件組織中，通常會(huì)存在一些氣孔、未熔合及裂紋等缺陷�？锥吹男纬芍饕�與制粉工藝、粉末的鋪粉密度及粉末本身的特征有關(guān)，產(chǎn)生未熔合缺陷主要是由于輸入到粉末床的能量不足，產(chǎn)生裂紋主要是因?yàn)槿鄢貎?nèi)部具有較高的溫度梯度和凝固速率，從而導(dǎo)致成形件的內(nèi)應(yīng)力較大。以上這些缺陷的存在會(huì)降低打印316L不銹鋼的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。在核電堆芯應(yīng)用的結(jié)構(gòu)件絕大多數(shù)都需要進(jìn)行無損檢測，不允許有超過標(biāo)準(zhǔn)傷當(dāng)量的缺陷存在。

一些研究認(rèn)為Cr和Mo元素會(huì)在SLM打印316L不銹鋼胞結(jié)構(gòu)的胞壁上形成微觀偏析，而溶質(zhì)分布和微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性會(huì)降低材料的耐蝕性。但也有一些學(xué)者認(rèn)為SLM打印316L不銹鋼在凝固過程中具有極高的冷卻速度，使得成形件中不含Mn S夾雜物，也不會(huì)形成貧Cr區(qū)，可以抑制點(diǎn)蝕形核位點(diǎn)的形成。因此，關(guān)于SLM打印316L不銹鋼的耐蝕性能還有待進(jìn)一步研究。

5 應(yīng)用實(shí)例
2015年，法馬通公司在德國埃爾蘭根實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)增材制造項(xiàng)目，該項(xiàng)目重點(diǎn)在于使用增材制造技術(shù)制造不銹鋼和鎳基合金燃料組件，這批不銹鋼和鎳基合金部件于2019年進(jìn)入戈斯根核電廠反應(yīng)堆進(jìn)行輻照考驗(yàn)，并于2020年11月完成了反應(yīng)堆的首個(gè)輻照檢測周期。

2016年，中國廣核集團(tuán)有限公司利用激光粉末床熔融增材制造技術(shù)打印316L不銹鋼，制造了核電站復(fù)雜流道儀表閥多通道閥體（尺寸為140 mm×76 mm×56 mm）。打印的閥體沒有發(fā)現(xiàn)表面缺陷，表面粗糙度為3.2μm。經(jīng)測試，其化學(xué)成分和基本力學(xué)性能均滿足國際核電標(biāo)準(zhǔn)RCC–M要求。

2019年，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室牽頭實(shí)施“轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆”（TCR）建設(shè)計(jì)劃，于2023年建成一座微型反應(yīng)堆。TCR的制造方法之一就是對金屬（316L和Inconel 718）零件使用激光粉末床熔融增材制造。

2020年5月4日，西屋電氣公司在伊利諾伊州的Exelon Byron 1號反應(yīng)堆內(nèi)安裝了3D打印阻流塞裝置，如圖4所示，該阻流塞裝置由粉末床熔融金屬3D打印316L不銹鋼和304不銹鋼材料通過激光熱絲焊接技術(shù)連接而成，這也是全球首個(gè)安裝到商業(yè)核反應(yīng)堆的3D打印燃料結(jié)構(gòu)件。

圖4 西屋公司采用增材制造工藝制備的阻流塞

6 展望
目前，關(guān)于核用316L不銹鋼增材制造技術(shù)的研究尚處于起步階段，距離工業(yè)化、大批量的生產(chǎn)還存在很大距離。為此，后續(xù)針對核用316L不銹鋼增材制造的應(yīng)用研究，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下3個(gè)方面。

1）研究增材制造成形過程中不銹鋼與熱源之間的作用機(jī)理。研究增材制造過程中熱源（如激光、電子束、等離子束等）與不銹鋼粉末的相互影響機(jī)制，探索不同成形工藝與成形件組織性能的關(guān)系，建立粉末材料、成形工藝、組織性能之間的數(shù)據(jù)庫，以實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段可對成形件組織性能進(jìn)行預(yù)測及優(yōu)化的目標(biāo)。

2）探索合適的增材制造后處理工藝以改善打印件的組織性能。大量文獻(xiàn)數(shù)據(jù)已表明，對于增材制造316L不銹鋼，其性能存在各向異性，不同的增材制造后處理工藝對打印件的組織性能會(huì)產(chǎn)生不同影響，因此需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境需求，探索合適的增材制造后處理工藝。

3）系統(tǒng)全面評價(jià)增材制造316L不銹鋼中子輻照后的性能。目前關(guān)于增材制造316L不銹鋼組織性能的研究更多集中于輻照前的組織性能。對于中子輻照后其組織性能的變化研究相對較少，目前僅獲得了其輻照后的拉伸性能，這是遠(yuǎn)不能滿足增材制造不銹鋼在核電領(lǐng)域應(yīng)用需求的，需要系統(tǒng)全面評價(jià)其中子輻照后的性能（如熱物性能、力學(xué)性能、腐蝕性能、焊接性能等）。

7 結(jié)語
在工業(yè)4.0背景下，增材制造技術(shù)因具有高效、清潔等優(yōu)點(diǎn)得到了快速的發(fā)展，特別是在制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件等方面具有無可比擬的優(yōu)勢。不銹鋼作為核電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)材料，實(shí)現(xiàn)其增材制造結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用必將給核行業(yè)帶來更好的發(fā)展，并且也能進(jìn)一步推動(dòng)增材制造技術(shù)在核領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用。針對增材制造不銹鋼的研究，后續(xù)除開展粉末制備工藝及增材制造工藝研究外，更應(yīng)詳細(xì)開展增材制造過程中熔池行為及增材制造后處理工藝研究，并系統(tǒng)全面評價(jià)其中子輻照性能。

文獻(xiàn)引用
[1] 楊青峰,高士鑫,陳平,廖楠,周毅,尹春雨,段振剛,尹泓卜.核電用316L不銹鋼粉末增材制造研究現(xiàn)狀[J].精密成形工程,2023,15(05):209-219. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2023.05.025