中科院核能安全技術研究所3D打印抗中子輻照鋼研究取得新進展

根據中國科學院合肥物質科學研究院，近期，中科院核能安全技術研究所在3D打印中國抗中子輻照鋼（簡稱“CLAM鋼”）研究方面取得新進展。研究人員采用熱等靜壓結合調質熱處理方法，解決了3D打印材料中存在的微缺陷及各向異性問題，獲得了高強韌性的3D打印CLAM鋼，相關成果發表在國際核材料權威期刊Journal of Nuclear Materials上。

自主知識產權的先進核能系統制造材料

3D打印技術在制備小型化復雜構件方面具有獨特優勢。CLAM鋼是核能安全所團隊牽頭研發的具有自主知識產權的中國抗中子輻照鋼，可用于聚變堆、聚變裂變混合堆和裂變鉛基堆等先進核能系統。

圖片來源：中科院合肥物質科學研究所

此前，核能安全所團隊已利用選區激光熔化金屬3D打印技術實現了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，成型后的材料存在力學性能各向異性以及較多微缺陷，強韌性是性能短板，可對材料的服役安全性產生嚴重影響。

圖片來源：中科院合肥物質科學研究所

      為解決這一問題，研究人員采用熱等靜壓（HIP）結合調質熱處理方法對3D打印的CLAM鋼進行處理。結果表明，在HIP的1150℃高溫及150MPa高壓作用下，實現了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，結合調質熱處理獲得了回火馬氏體組織，實現了材料強度和韌性的良好匹配。研究結果為3D打印高性能部件提供了重要的材料支撐和技術保障。

該研究得到了國家重點基礎研究發展計劃、中國科學院百人計劃、國家自然科學基金和安徽省自然科學基金等項目的資助。

 Review

      在這項研究之前，中科院合肥物質科學研究院核能安全所已經通過選區激光熔化3D打印技術開展了聚變堆關鍵部件-包層第一壁樣件的試制，并對其組織和性能進行了研究分析，相關成果曾發表在國際核材料期刊《核物理學報》上。CLAM鋼全稱是中國低活化馬氏體鋼（China Low Activation Martensitic steel），是低活化鐵素體/ 馬氏體鋼鋼 (RAFM)的一種。根據3D科學谷的市場研究，中科院合肥物質科學研究院對低活化馬氏體鋼選區激光熔化增材制造工藝進行了研究，該工藝被用于制造聚變堆包層及裂變堆等先進核能系統復雜結構部件。

       這類先進核能系統復雜結構部件服役條件嚴苛，需承受強中子輻照、高表面熱流、高核熱沉積、高壓及復雜機械載荷等，且這些關鍵部件結構復雜，對部件的成型質量及成型精度提出了較高的要求。聚變堆包層等先進核能系統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雜流道布置。這類冷卻部件的常見成型方法為焊接，但因焊縫密集，導致焊接難度較高且焊縫易出現裂紋，此外，焊接過程復雜的熱輸入導致部件變形較大，成型難度高且后期矯形困難，部件的制備周期長、成本高。

      中科院合肥物質科學研究院對低活化馬氏體鋼選區激光熔化增材制造工藝的研究，旨在克服現有復雜結構部件焊接加工難度高、焊接變形大、焊后易出現裂紋等關鍵問題，解決先進核能系統復雜結構部件低活化馬氏體鋼3D打印快速成型的難題。

參考資料來源：
中國科學院合肥物質科學研究所；
科技日報;
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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