中科院核能安全技术研究所3D打印抗中子辐照钢研究取得新进展

根据中国科学院合肥物质科学研究院，近期，中科院核能安全技术研究所在3D打印中国抗中子辐照钢（简称“CLAM钢”）研究方面取得新进展。研究人员采用热等静压结合调质热处理方法，解决了3D打印材料中存在的微缺陷及各向异性问题，获得了高强韧性的3D打印CLAM钢，相关成果发表在国际核材料权威期刊Journal of Nuclear Materials上。

自主知识产权的先进核能系统制造材料

3D打印技术在制备小型化复杂构件方面具有独特优势。CLAM钢是核能安全所团队牵头研发的具有自主知识产权的中国抗中子辐照钢，可用于聚变堆、聚变裂变混合堆和裂变铅基堆等先进核能系统。

图片来源：中科院合肥物质科学研究所

此前，核能安全所团队已利用选区激光熔化金属3D打印技术实现了CLAM钢聚变堆包层第一壁样件的3D打印。但由于3D打印具有层积成型的特点，成型后的材料存在力学性能各向异性以及较多微缺陷，强韧性是性能短板，可对材料的服役安全性产生严重影响。

图片来源：中科院合肥物质科学研究所

为解决这一问题，研究人员采用热等静压（HIP）结合调质热处理方法对3D打印的CLAM钢进行处理。结果表明，在HIP的1150℃高温及150MPa高压作用下，实现了3D打印材料各向异性的消除，以及熔合不良等微缺陷的塑性变形弥合。同时，结合调质热处理获得了回火马氏体组织，实现了材料强度和韧性的良好匹配。研究结果为3D打印高性能部件提供了重要的材料支撑和技术保障。

该研究得到了国家重点基础研究发展计划、中国科学院百人计划、国家自然科学基金和安徽省自然科学基金等项目的资助。

 Review

在这项研究之前，中科院合肥物质科学研究院核能安全所已经通过选区激光熔化3D打印技术开展了聚变堆关键部件-包层第一壁样件的试制，并对其组织和性能进行了研究分析，相关成果曾发表在国际核材料期刊《核物理学报》上。CLAM钢全称是中国低活化马氏体钢（China Low Activation Martensitic steel），是低活化铁素体/ 马氏体钢钢 (RAFM)的一种。根据3D科学谷的市场研究，中科院合肥物质科学研究院对低活化马氏体钢选区激光熔化增材制造工艺进行了研究，该工艺被用于制造聚变堆包层及裂变堆等先进核能系统复杂结构部件。

这类先进核能系统复杂结构部件服役条件严苛，需承受强中子辐照、高表面热流、高核热沉积、高压及复杂机械载荷等，且这些关键部件结构复杂，对部件的成型质量及成型精度提出了较高的要求。聚变堆包层等先进核能系统因具有较高的核热沉积，冷却部件一般具有高密度及窄间隔的复杂流道布置。这类冷却部件的常见成型方法为焊接，但因焊缝密集，导致焊接难度较高且焊缝易出现裂纹，此外，焊接过程复杂的热输入导致部件变形较大，成型难度高且后期矫形困难，部件的制备周期长、成本高。

中科院合肥物质科学研究院对低活化马氏体钢选区激光熔化增材制造工艺的研究，旨在克服现有复杂结构部件焊接加工难度高、焊接变形大、焊后易出现裂纹等关键问题，解决先进核能系统复杂结构部件低活化马氏体钢3D打印快速成型的难题。

参考资料来源：

中国科学院合肥物质科学研究所；
科技日报;
CN201610947008;
sciencedirect.com, Effect of hot isostatic pressing on microstructure and mechanical properties of CLAM steel produced by selective laser melting.