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展

根據(jù)中國科學(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(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題，獲得了高強韌性的3D打印CLAM鋼，相關(guān)成果發(fā)表在國際核材料權(quán)威期刊Journal of Nuclear Materials上。

自主知識產(chǎn)權(quán)的先進核能系統(tǒng)制造材料

3D打印技術(shù)在制備小型化復(fù)雜構(gòu)件方面具有獨特優(yōu)勢。CLAM鋼是核能安全所團隊牽頭研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(tǒng)。

圖片來源：中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究所

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

圖片來源：中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究所

      為解決這一問題，研究人員采用熱等靜壓（HIP）結(jié)合調(diào)質(zhì)熱處理方法對3D打印的CLAM鋼進行處理。結(jié)果表明，在HIP的1150℃高溫及150MPa高壓作用下，實現(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，結(jié)合調(diào)質(zhì)熱處理獲得了回火馬氏體組織，實現(xiàn)了材料強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。

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

 Review

      在這項研究之前，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院核能安全所已經(jīng)通過選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)開展了聚變堆關(guān)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(guān)成果曾發(fā)表在國際核材料期刊《核物理學(xué)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(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院對低活化馬氏體鋼選區(qū)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(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件。

       這類先進核能系統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(fù)雜機械載荷等，且這些關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對部件的成型質(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。這類冷卻部件的常見成型方法為焊接，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、成本高。

      中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院對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)鍵問題，解決先進核能系統(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。

參考資料來源：
中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)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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