中科院核能安全技術(shù)研究所3D打印抗中子輻照鋼研究取得新進(jìn)展

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，近期，中科院核能安全技術(shù)研究所在3D打印中國(guó)抗中子輻照鋼（簡(jiǎn)稱(chēng)“CLAM鋼”）研究方面取得新進(jìn)展。研究人員采用熱等靜壓結(jié)合調(diào)質(zhì)熱處理方法，解決了3D打印材料中存在的微缺陷及各向異性問(wèn)題，獲得了高強(qiáng)韌性的3D打印CLAM鋼，相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際核材料權(quán)威期刊Journal of Nuclear Materials上。

自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)核能系統(tǒng)制造材料

3D打印技術(shù)在制備小型化復(fù)雜構(gòu)件方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。CLAM鋼是核能安全所團(tuán)隊(duì)牽頭研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中國(guó)抗中子輻照鋼，可用于聚變堆、聚變裂變混合堆和裂變鉛基堆等先進(jìn)核能系統(tǒng)。

圖片來(lái)源：中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究所

此前，核能安全所團(tuán)隊(duì)已利用選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了CLAM鋼聚變堆包層第一壁樣件的3D打印。但由于3D打印具有層積成型的特點(diǎn)，成型后的材料存在力學(xué)性能各向異性以及較多微缺陷，強(qiáng)韌性是性能短板，可對(duì)材料的服役安全性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

圖片來(lái)源：中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究所

      為解決這一問(wèn)題，研究人員采用熱等靜壓（HIP）結(jié)合調(diào)質(zhì)熱處理方法對(duì)3D打印的CLAM鋼進(jìn)行處理。結(jié)果表明，在HIP的1150℃高溫及150MPa高壓作用下，實(shí)現(xiàn)了3D打印材料各向異性的消除，以及熔合不良等微缺陷的塑性變形彌合。同時(shí)，結(jié)合調(diào)質(zhì)熱處理獲得了回火馬氏體組織，實(shí)現(xiàn)了材料強(qiáng)度和韌性的良好匹配。研究結(jié)果為3D打印高性能部件提供了重要的材料支撐和技術(shù)保障。

該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和安徽省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

 Review

      在這項(xiàng)研究之前，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院核能安全所已經(jīng)通過(guò)選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)開(kāi)展了聚變堆關(guān)鍵部件-包層第一壁樣件的試制，并對(duì)其組織和性能進(jìn)行了研究分析，相關(guān)成果曾發(fā)表在國(guó)際核材料期刊《核物理學(xué)報(bào)》上。CLAM鋼全稱(chēng)是中國(guó)低活化馬氏體鋼（China Low Activation Martensitic steel），是低活化鐵素體/ 馬氏體鋼鋼 (RAFM)的一種。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院對(duì)低活化馬氏體鋼選區(qū)激光熔化增材制造工藝進(jìn)行了研究，該工藝被用于制造聚變堆包層及裂變堆等先進(jìn)核能系統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件。

       這類(lèi)先進(jìn)核能系統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件服役條件嚴(yán)苛，需承受強(qiáng)中子輻照、高表面熱流、高核熱沉積、高壓及復(fù)雜機(jī)械載荷等，且這些關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)部件的成型質(zhì)量及成型精度提出了較高的要求。聚變堆包層等先進(jìn)核能系統(tǒng)因具有較高的核熱沉積，冷卻部件一般具有高密度及窄間隔的復(fù)雜流道布置。這類(lèi)冷卻部件的常見(jiàn)成型方法為焊接，但因焊縫密集，導(dǎo)致焊接難度較高且焊縫易出現(xiàn)裂紋，此外，焊接過(guò)程復(fù)雜的熱輸入導(dǎo)致部件變形較大，成型難度高且后期矯形困難，部件的制備周期長(zhǎng)、成本高。

      中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院對(duì)低活化馬氏體鋼選區(qū)激光熔化增材制造工藝的研究，旨在克服現(xiàn)有復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件焊接加工難度高、焊接變形大、焊后易出現(xiàn)裂紋等關(guān)鍵問(wèn)題，解決先進(jìn)核能系統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件低活化馬氏體鋼3D打印快速成型的難題。

參考資料來(lái)源：
中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究所；
科技日?qǐng)?bào);
CN201610947008;
sciencedirect.com, Effect of hot isostatic pressing on microstructure and mechanical properties of CLAM steel produced by selective laser melting.

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