核燃料零部件的金屬增材制造技術(shù)研發(fā)

鄧 話,秦國鵬

(中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜賓 644000)

金屬增材制造，又稱3D打印或快速原型制造技術(shù)，它是一系列快速成形制造技術(shù)的總稱。與傳統(tǒng)的工藝模式不同，增材制造技術(shù)集“概念設(shè)計(jì)”“技術(shù)驗(yàn)證”與“生產(chǎn)制造”于一體?？蓸O大縮小產(chǎn)品從“概念”到“定形”的時(shí)間差，從而加快產(chǎn)品的更新周期[1]。除了能夠提升核燃料元件零部件研制速度外，還能大幅降低制造成本。傳統(tǒng)的核燃料零件制造主要是做“減”法，原材料通過切割、切削等工序，材料逐漸減少而形成零件。這一過程中，將有50%以上的原材料被浪費(fèi)。與傳統(tǒng)工藝不同，3D打印技術(shù)做的是“加”法，通過層層增加材料的方法“打印”出產(chǎn)品。由于是按需取材，整個(gè)過程中幾乎沒有任何浪費(fèi)。增材制造技術(shù)可以改變?cè)挟a(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、技術(shù)驗(yàn)證、降低試制成本、縮短生產(chǎn)周期等。

因此，開展核燃料元件零部件金屬增材制造技術(shù)工藝研究可以彌補(bǔ)我公司當(dāng)前核燃料元件新產(chǎn)品制造保障能力不足的現(xiàn)狀，同時(shí)提升研發(fā)效率、降低制造成本，提高核燃料元件時(shí)效性與精度。此外研究新制造工藝技術(shù)還可以有效提升技術(shù)及專利儲(chǔ)備，合理規(guī)避出口產(chǎn)品知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘風(fēng)險(xiǎn)。

1 核燃料金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

由于精密金屬3D打印設(shè)備成本高，打印加工時(shí)間相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)加工方法要長很多。綜合考慮生產(chǎn)效率及制造成本，核燃料金屬3D打印技術(shù)比較適合于華龍一號(hào)等核燃料組件中結(jié)構(gòu)復(fù)雜且采用傳統(tǒng)機(jī)加方法很難或加工周期很長的關(guān)鍵零部件，如空間曲面過濾結(jié)構(gòu)管座、控制棒組件整體連接柄等。

目前核燃料金屬增材制造的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾種方向：

1)不同熔化熱源的發(fā)展：分激光熱源、電子束熱源、電弧熱源方向。

2)不同制造階段的發(fā)展：分粉末制造、設(shè)備制造、后處理技術(shù)方向。

3)不同成型方式的發(fā)展：分鋪粉選取熔化、同軸送粉熔化、加絲熔化方向。

4)不同工藝融合的發(fā)展：分3D打印與焊接融合，3D打印與切割融合，3D打印與熱處理融合，多熱源協(xié)調(diào)作業(yè)等方向。

其中最成熟且應(yīng)用最廣泛的金屬增材制造技術(shù)有：激光選取熔化、激光同軸送粉、電子束選取熔化技術(shù)這三種。

2 核燃料零部件的金屬增材制造研究進(jìn)展

中核建中核燃料元件有限公司于2016年正式開展核燃料元件零件增材制造工藝技術(shù)研究工作，選擇激光選區(qū)熔化技術(shù)(Selective Laser Melting，SLM)[2]作為研究方向。由于核燃料不銹鋼零件的結(jié)構(gòu)特殊性，3D打印后的零件一般還需要經(jīng)過焊接、熱處理、精整加工等一系列后處理，與采用鍛件加工的其他零件一起，才能共同組成完整的核燃料部件。而金屬增材制造的打印件，是由金屬粉末熔合形成的，組織結(jié)構(gòu)上更接近與鑄件，與鍛件相比在成分、性能、加工精度上肯定存在一定的差異。這種差異如果不加以研究控制，將使3D打印零件成為核燃料整體結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，直接影響核電產(chǎn)品的可靠性。

因此3D打印產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中必須考慮打印件與傳統(tǒng)的鍛件加工零件混合使用的情況，需要通過大量的技術(shù)研究來減少兩者的差異，使其滿足產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的工藝控制要求。

2.1 產(chǎn)業(yè)化研究結(jié)構(gòu)

研究分為以下三個(gè)階段進(jìn)行。

第一階段：初步研究粉末材料、設(shè)備、工藝參數(shù)、后處理等影響金屬3D打印工藝的關(guān)鍵因素，找到應(yīng)用可行性及深入研究方向。

第二階段：評(píng)估粉末材料、設(shè)備、工藝參數(shù)、后處理等影響金屬3D打印工藝的關(guān)鍵因素，并針對(duì)性開展深入研究。

第三階段：研究量產(chǎn)工藝對(duì)粉末材料、設(shè)備、工藝參數(shù)、后處理等因素的要求；完成正式產(chǎn)品樣品的3D打印。

2.2 研究關(guān)鍵技術(shù)

核燃料零部件加工技術(shù)屬于精密加工范疇。核燃料直接工作于核反應(yīng)堆芯輻照區(qū)內(nèi)，因?yàn)槠涔ぷ鳝h(huán)境限制，其零件必需耐腐蝕、耐輻照蠕變、耐疲勞應(yīng)變；同時(shí)還要求核燃料不會(huì)因輻照產(chǎn)生過多的放射性材料，影響堆內(nèi)維修及乏燃料后處理。此外，考慮到零件的加工經(jīng)濟(jì)性，打印材料還必須擁有較好的加工性能。因此，核燃料零部件的金屬增材制造技術(shù)研究的關(guān)鍵技術(shù)大致可分為材料化學(xué)成分控制、材料力學(xué)加工性能控制、打印件尺寸精度控制。

2.2.1 SLM打印件的化學(xué)成分

SLM打印件采用金屬粉末作為基本原材料，金屬粉末經(jīng)過激光燒結(jié)后形成打印工件，其化學(xué)成分的控制必須考慮粉末、打印件2個(gè)階段。以核燃料管座用低鈷奧氏體不銹鋼022Cr21Ni10為例，其成分中典型化學(xué)元素的作用為：

鈷元素(Co)：含量應(yīng)控制≤0.12%，且越低越好。因鈷元素在核反應(yīng)堆芯輻照后，可能產(chǎn)生放射性同位素鈷-60(60Co)[3]，成為半衰期長達(dá)5.27年的放射源，會(huì)通過衰變放出β和γ射線，在核電站維修、換料、燃料后處理階段對(duì)操作人員的身體造成較嚴(yán)重的傷害。

碳元素(C)：含量應(yīng)控制≤0.035%。碳元素在奧氏體不銹鋼中的溶解度約為0.02%～0.03%[4]，超過此范圍后多余的碳就會(huì)不斷向奧氏體邊界擴(kuò)散，在晶間形成碳化鉻化合物沉淀，使晶界附近形成“貧鉻區(qū)”。如果在后續(xù)的焊接、加工、熱處理過程中不加以控制和處理，易因敏化作用產(chǎn)生局部腐蝕，最終影響核燃料零件的耐腐蝕性能。

鉻元素(Cr)：含量應(yīng)控制18.50%～20.00%。一般情況下，當(dāng)鋼中的Cr原子數(shù)不低于12.5%時(shí)，可以使鋼中的電極電位發(fā)生突變，由負(fù)電位升到正的電極電位，從而阻止電化學(xué)腐蝕的發(fā)生[5]?？紤]到核燃料零件的塑性及抗輻照蠕變性能要求，應(yīng)綜合控制鉻元素含量在適當(dāng)?shù)谋壤秶鷥?nèi)。

S、P等微量元素：S、P等微量元素關(guān)系到液態(tài)熔敷金屬的粘滯系數(shù)以及金屬材料焊接熔池形成時(shí)的表面張力狀態(tài)，進(jìn)而會(huì)影響到熔池表面的Marangoni對(duì)流形式[6]，造成焊縫成型系數(shù)的變化。

表1所示為研究得到的核燃料不銹鋼零部件打印前后化學(xué)成分對(duì)比表。從表中可以看出打印前后的金屬粉末、3D打印件、傳統(tǒng)鍛件材料的化學(xué)成分基本保持一致，可以滿足產(chǎn)業(yè)化制造需求。

表1 激光打印核燃料不銹鋼零件化學(xué)成分對(duì)比表Table 1 Chemical composition comparison table of the fuel parts for SLM

2.2.2 打印件的力學(xué)性能

力學(xué)性能包括材料的強(qiáng)度、韌性、塑性、沖擊韌度、晶粒度等指標(biāo)，直接關(guān)系著核燃料零件的耐用性、可靠性及功能完整性。由于3D打印件基本屬于鑄態(tài)組織，與鍛壓成型的鍛件存在較大的差異。如果不經(jīng)過特殊的技術(shù)處理，不銹鋼打印件會(huì)呈現(xiàn)出硬度強(qiáng)度高，但塑性差的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)特征為材料易脆斷、伸長率較差。表2所示為研究前期初步得到的低鈷奧氏體不銹鋼SLM打印試樣力學(xué)性能指標(biāo)?？傮w來說試樣較脆，材料指標(biāo)與技術(shù)要求存在很大差距。結(jié)合微觀組織圖片，分析說明打印試樣內(nèi)部缺陷較多，質(zhì)量不穩(wěn)定。

試樣1：材料韌性不穩(wěn)定，部分試樣存在脆斷現(xiàn)象，伸長率測(cè)不出來。

試樣2：全部指標(biāo)均不合格，橫斷面布滿未熔合及裂紋，呈層狀分布。

表2 初步不銹鋼3D打印試性能對(duì)比表Table 2 Preliminary comparison table of 3D printing performance of stainless steel

在上述研究基礎(chǔ)上，對(duì)3D打印制造工藝參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)研究，試制出的SLM打印試樣的主要理化檢驗(yàn)結(jié)果見表3。從結(jié)果可以看出，隨批試樣的各項(xiàng)性能指標(biāo)已經(jīng)很接近核燃料零件鍛件采購技術(shù)要求，經(jīng)過粉末及工藝改進(jìn)后的產(chǎn)品質(zhì)量明顯優(yōu)于之前的試驗(yàn)試樣。

表3 再次試制產(chǎn)品主要性能對(duì)比表Table 3 Comparison table of main performance of trial produced products again

研究發(fā)現(xiàn)，單純對(duì)SLM打印工藝參數(shù)的研究可以改善材料力學(xué)性能但不能完全解決上述問題。所以后續(xù)又開展了對(duì)金屬粉末制備工藝的研究，意圖通過改善粉末的性能指標(biāo)來影響打印件的綜合力學(xué)性能。通過一系列的研究工作，從制粉型材、制備工藝、粉末質(zhì)量控制、粉末回收質(zhì)量控制等角度，最終找到了的提升打印件力學(xué)性能的方法。研究得到的最終打印產(chǎn)品的力學(xué)性能試驗(yàn)對(duì)比見表4所示。從表中可以看出激光3D打印核燃料零件試樣力學(xué)性能與傳統(tǒng)鍛件零件的指標(biāo)基本保持一致，可以滿足產(chǎn)業(yè)化制造需求。

表4 管座及連接柄用022Cr21Ni10力學(xué)性能指標(biāo)Table 4 Mechanical property index of 022 cr21Ni10 for nuclear fuel parts

2.2.3 打印件的尺寸精度

核燃料零件的3D打印尺寸精度主要分為長、寬、高三個(gè)方向的控制。按照SLM成型原理，打印件的尺寸控制可分為鋪粉層厚度、燒結(jié)層尺寸、逐層累加打印三個(gè)關(guān)鍵過程。其尺寸精度控制要素圖見圖1。

圖1 打印件的尺寸精度控制要素圖Fig.1 Dimensional accuracy control elements of print

鋪粉層厚度：控制單一打印層的打印方向厚度尺寸精度，影響該指標(biāo)的主要因素為金屬粉末原材料堆積后的密實(shí)性[7]、粉末的球形度[8]。因此原材料的形狀越規(guī)則，空心現(xiàn)象越少，3D打印產(chǎn)品的尺寸精度也會(huì)越好[9]。此外激光3D打印設(shè)備的鋪粉滾輪滾壓力、平面刮刀的直線度、刮刀預(yù)留間隙等設(shè)備參數(shù)也對(duì)鋪粉層厚度有一定影響。

單層SLM打印：控制單一打印層的燒結(jié)形狀尺寸精度，影響該指標(biāo)的主要因素有三維切片(產(chǎn)品三維建模并分層切片)、支撐設(shè)計(jì)(用于處理簡單懸空結(jié)構(gòu)、過渡結(jié)構(gòu)、反打印應(yīng)力變形處理、切割加工工藝頭、裝夾工藝孔等)、熔渣過濾(打印過程中飛濺的過濾處理)、工作環(huán)境(工作氣氛及其他打印邊界條件控制)。

逐層累加打?。嚎刂拼蛴〖恼w打印生長尺寸精度，影響該指標(biāo)的主要因素有層堆積(打印層逐層熔敷及表面成型)、變形控制(激光燒結(jié)熱加工過程的熱應(yīng)力控制)、過程監(jiān)控(打印過程缺陷監(jiān)控)。

2.3 金屬增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械加工方法之間的對(duì)比研究

區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝，增材制造最大的優(yōu)點(diǎn)為：

1)不需要鑄錠、型材、鍛件定制環(huán)節(jié)，同類型金屬粉末即可制造各種形狀的零件。

2)可制造異形孔、方孔、復(fù)雜內(nèi)部型腔等傳統(tǒng)機(jī)械加工方法無法制造的結(jié)構(gòu)。

3)不需要消耗刀具、磨料、割具，可減少工具耗材采購環(huán)節(jié)及耗材成本。

4)制造中不需要復(fù)雜夾具、磨具，特別適用于模擬件、試驗(yàn)件、小批量產(chǎn)品的定制加工，節(jié)省工裝夾具設(shè)計(jì)采購時(shí)間，生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益均較高。

5)工具、磨具、配件可采用嫁接修復(fù)或單獨(dú)打印制造的方法，節(jié)約維修時(shí)間。

相對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝，激光3D打印增材制造的缺點(diǎn)為：

1)不適合加工不等厚結(jié)構(gòu)中薄厚壁交界處無過渡結(jié)構(gòu)且壁厚差值較大的零件。

2)加工懸空或枝狀結(jié)構(gòu)時(shí)需要設(shè)計(jì)可去除支撐結(jié)構(gòu)以抵消應(yīng)力變形，存在3D打印制造后機(jī)械加工去支撐工序。

3)加工時(shí)和加工后存在較大熱應(yīng)力及變形，必須充分考慮去應(yīng)力處理工藝。

4)激光直接照射燒結(jié)的零件表面，表面粗糙度較差。

本次研究得到的金屬激光3D打印零件打印成本統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 金屬激光3D打印零件打印成本統(tǒng)計(jì)分析表Table 5 Statistical analysis for the printing costof laser 3D printed metal parts

3 存在的主要技術(shù)問題

金屬增材制造工藝技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝技術(shù)存在很大的區(qū)別，目前存在的問題主要是金屬增材制造零件對(duì)比傳統(tǒng)減材加工零件尚有不足之處，部分特性未進(jìn)過量產(chǎn)驗(yàn)證。具體問題如下：

1)采用激光熱源的打印件因?yàn)闊釕?yīng)力及打印基板問題會(huì)產(chǎn)生加工后變形，最終產(chǎn)品的尺寸精度及變形控制措施仍需進(jìn)一步研究。

2)金屬增材制造零件的內(nèi)部組織形態(tài)、化學(xué)成分、力學(xué)性能等與傳統(tǒng)零件存在區(qū)別。現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)是在對(duì)單個(gè)樣品進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，代表性不足，還需進(jìn)行批量分析并研究各項(xiàng)性能改進(jìn)的方法。

3)金屬增材制造零件因原材料粉末、打印工藝、后處理工藝等問題可能出現(xiàn)內(nèi)外部的各種缺陷，目前對(duì)此缺少有效的檢測(cè)方法。

4)金屬增材制造零件的表面粗糙度較差，對(duì)某些表面質(zhì)量要求高的產(chǎn)品，還需要深入研究提高零件表面粗糙度的方法。

5)金屬增材制造零件的耐用性、抗腐蝕性、抗輻照蠕變性能還未經(jīng)過試驗(yàn)或批量化產(chǎn)品驗(yàn)證。

4 結(jié)論

經(jīng)過初步探索性研究、中期力學(xué)性能提升研究、后期產(chǎn)業(yè)化打印尺寸研究三個(gè)階段，最終得到多種不同類型或材質(zhì)的核燃料零件的金屬激光3D打印工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)國際先進(jìn)制造技術(shù)在我公司的首次制造應(yīng)用。中核建中核燃料元件有限公司研究出的核燃料零部件金屬增產(chǎn)制造工藝與國內(nèi)其他單位研究相比，偏重堆芯產(chǎn)品的實(shí)用性、耐用性、可用性等方面，同時(shí)注重量產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化研究，充分考慮了打印件的制造經(jīng)濟(jì)性和加工周期問題，突破性的采用增材制造與減材制造相結(jié)合的方式，大幅提高核燃料零部件金屬增材制造效率和成本。項(xiàng)目對(duì)標(biāo)打印材料為核級(jí)低鈷金屬鍛件等已經(jīng)過堆內(nèi)輻照考驗(yàn)的成熟材料，力爭在化學(xué)成分、內(nèi)部組織、加工性能等產(chǎn)品的內(nèi)在性能方面滿足核燃料金屬增產(chǎn)批量制造的要求。研究成果對(duì)解決核電出口關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，提高國內(nèi)核燃料制造工藝水平，增加CF等自主技術(shù)的專利儲(chǔ)備等方面意義重大，有相應(yīng)的應(yīng)用前景。