金屬增材制造技術在核工業(yè)領域的應用與發(fā)展

馬青原 ，杜沛南 ，彭英博 ，張瑞謙 ，張 偉 ?

1) 中南大學粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083 2) 中國核動力研究設計院反應堆燃料及材料重點實驗室，成都 610213

隨著全球制造業(yè)的不斷發(fā)展，新材料體系、新工藝方法層出不窮，以增材制造（additive manufacturing，AM）為代表的快速制造技術在政策、市場的支持下，憑借著其快速、高效、經濟、全智能化和全柔性化制造的優(yōu)勢得到了迅猛發(fā)展[1]。在核工業(yè)界，隨著反應堆技術應用領域從常規(guī)的核動力艦艇及核電領域逐漸向空間核動力、海洋核動力、航空核動力領域發(fā)展，傳統(tǒng)的壓水堆技術已不能滿足全新應用環(huán)境的需求，革新性的反應堆堆型概念層出不窮。全新的堆型設計對材料結構及性能均提出了更高的要求，傳統(tǒng)制備方法難以滿足要求，增材制造技術成為了新的選擇。本文從材料與加工成形的視角，詳細介紹了金屬增材制造技術在核工業(yè)領域的應用及優(yōu)勢，并提出了在核工業(yè)領域推廣金屬增材制造技術的建議。

1 金屬增材制造常用方法及典型應用

金屬增材制造根據制備工藝是否直接制成最終產品被分為直接成形和間接成形兩大類。直接增材制造通常以激光和電子束作為熱輸入源，使原材料熔化再凝固形成復雜形狀工件，主要包括選區(qū)激光熔化、電子束熔化、定向能量沉積等。間接增材制造通常采用噴射粘結劑固化或凝膠擠出固化得到生坯，再經燒結得到最終產品，主要包括粘結劑噴射增材制造、金屬噴射增材制造等。目前，可用于增材制造的涉核材料體系如圖1所示。

圖1 增材制造涉核材料研究體系Fig.1 Research system of the nuclear materials prepared by the additive manufacturing

1.1 選區(qū)激光熔化（selective laser melting，SLM）

選區(qū)激光熔化是基于粉末原料的增材制造工藝，由振鏡掃描系統(tǒng)引導激光，選擇性地掃描工作臺上粉末層。受到激光輻照作用的粉末迅速熔化形成熔池，并隨激光掃描的軌跡快速冷卻凝固逐層疊加，從而構建工件整體。選區(qū)激光熔化因其逐行、逐層掃描的特點，形成的產品組織上一般具有各向異性的特點。釩合金是一種先進的核材料，在核電站的第一壁和毯狀結構材料中具有非常重要的應用。中南大學粉末冶金國家重點實驗室Yang和Li[2–3]通過高能球磨制得滿足選區(qū)激光熔化加工性能要求的V–6Cr–6Ti預合金粉末，后通過選區(qū)激光熔化制得V–6Cr–6Ti零件，壓縮試驗顯示壓縮應力最大可達1078 MPa，累積應變約為0.32，如圖2所示，其中n1、n9、n17代表不同壓縮位移值下的第1、9、17次實驗。

圖2 選區(qū)激光熔化 V?6Cr?6Ti零件應力–應變曲線[2]Fig.2 Stress-strain curves of the V?6Cr?6Ti parts prepared by SLM[2]

316L不銹鋼在高溫下具有良好的力學性能和耐腐蝕性能，常被用作國際熱核實驗反應堆（international thermonuclear experimental reactor，ITER）容器內組件的結構材料，反應堆容器內管道系統(tǒng)等具有復雜幾何形狀的部件通常是通過連接技術制造，但傳統(tǒng)方法顯然不能滿足需求。Zhong等[4]采用選區(qū)激光熔化技術制備出幾乎全致密的316L不銹鋼，研究發(fā)現在選區(qū)激光熔化過程中形成的胞狀微結構和氧化硅納米夾雜物的共同釘扎作用可以阻礙裂紋的擴展行為，如圖3所示。

圖3 316L不銹鋼樣品側表面底部（a）和頂部（b）微觀組織中均存在球形氧化硅納米夾雜物[4]Fig.3 Spherical silicon oxide nano-inclusions on the bottom (a) and top (b) of the 316L stainless steel surface[4]

1.2 電弧熔絲增材制造（wire arc additive manufacturing，WAAM）

電弧熔絲增材制造技術是由英國克蘭菲爾德大學開創(chuàng)的。采用電子束或電弧等作為熱源，通過將金屬絲材加熱熔化，連續(xù)堆積形成沉積層，最終形成“近形”制件[5]。電弧熔絲增材制造技術廣泛應用于飛機后架、壓力容器、空心螺旋槳葉片等零件的生產[6]。2015年中國核動力研究設計院與南方增材科技有限公司以16MND5鋼材料為原料，采用電弧熔絲增材制造技術制備出ACP100反應堆壓力容器，如圖4所示，樣件組織均勻，各向異性較小，綜合力學性能優(yōu)良，具有較大的韌性裕量，而且大大縮短核反應堆零部件的生產周期[7]。

圖4 增材制造壓力容器試件[7]Fig.4 Pressure vessel piece prepared by additive manufacturing[7]

1.3 定 向 能 量 沉 積 （ directed energy deposition，DED）

定向能量沉積通過同軸噴嘴、多噴嘴和載流氣體進料，激光束能量輸入產生熔池，隨著噴嘴的移動，不斷形成新的涂覆層，重復疊加來構建零件。隨著定向能量沉積的發(fā)展，德國Fraunhofer旗下的激光技術研究所于2017年6月宣布開發(fā)出了超高速激光沉積技術，是由TruLaser Cell 7040集成的一項頗具特色的增材制造技術，如圖5（a）所示[8]。該工藝改進了抗腐蝕和磨損保護的加工工藝，且節(jié)約資源，更具經濟性[9]。王彬等[10]運用定向能量沉積技術制備高溫Ti60試件，所得Ti60構件在600 ℃/310 MPa條件下平均持久壽命可達354.4 h，高于傳統(tǒng)軋制Ti60成形件，可見增材制造工藝對材料性能的改善具有重要作用。目前亞琛聯合科技為中國機械科技研究總院以及河北敬業(yè)增材制造科技有限公司提供了多套設備，成為超高速激光沉積技術聯盟在中國市場推進的重要一步[11]。

針對液體火箭發(fā)動機燃燒室和噴嘴，美國國家航空航天局（NASA）提出“快速分析和制造推進技術”（rapid analysis and manufacturing propulsion technology，RAMPT）項目，如圖5（b）所示[12]，致力于以下關鍵技術的完善和集成，以實現制備完整的集成推力室組件：（1）定向能量沉積技術制造集成的冷卻通道和噴嘴結構；（2）復合材料技術顯著減輕重量，可應用于燃燒室和噴嘴等大型推力室組件；（3）雙金屬或多金屬的增材制造技術，例如銅合金和超合金的共成形，以此來優(yōu)化組件材料性能；（4）開發(fā)集成的蓄冷式燃燒室和噴嘴設計工具，可顯著減少設計周期并充分利用添加劑技術。

圖5 德國通快TruLaser Cell 7040（a）[8]和快速分析和制造推進技術項目技術概況（b）[12]Fig.5 TruLaser cell 7040 of the Trumpf Group (a)[8] and the overview of RAMPT project technology (b)[12]

1.4 粘結劑噴射增材制造（binder jetting additive manufacturing，BJAM）

粘結劑噴射增材制造是最典型的間接金屬增材制造工藝，工藝原理如圖6所示[13]。首先采用與直接金屬增材制造相似的粉床鋪粉，將粘結劑噴頭在粉床上選擇性噴涂，固化指定區(qū)域，然后層層疊加，隨后將生坯加熱進行燒結、脫脂，從而實現冶金結合提高強度。表1對比了幾種典型的增材制造工藝方法[14]。

表1 典型增材制造工藝對比[14]Table 1 Comparison of the typical additive manufacturing processes[14]

圖6 粘結劑噴射增材制造技術原理[13]Fig.6 Principle of the binder jetting additive manufacturing technology[13]

1.5 其他適用核級材料的增材制造工藝

目前，成熟的核級材料有不銹鋼、鎳基合金、低合金鋼、鋯合金等。在核電設備主管道、主泵、閥門、壓板、反應堆頂蓋等結構中，70%以上使用的是不銹鋼，而穩(wěn)壓器、壓力容器、安全殼等部件則通常選擇相對廉價的低合金鋼[15]。美國橡樹嶺國家實驗室與海軍顛覆性技術實驗室開發(fā)出美軍首個3D打印的碳纖維復合材料潛艇艇體原型，長約9.14 m，采用橡樹嶺國家實驗室研發(fā)的大面積增材制造技術僅用不到一個月的時間即完成打印，成本降低達90%，這對于未來核潛艇的制造具有重要意義[16]。

深圳中廣核工程設計有限公司利用增材制造技術成功打印出316L不銹鋼材料的主泵實驗用縮比葉輪，其強度、塑性等力學性能接近鍛件性能，優(yōu)于鑄件性能。相比于傳統(tǒng)鑄造制品，產品質量高，不會出現氣孔、縮孔、砂眼等缺陷[17]。

2 增材制造技術在核工業(yè)領域的優(yōu)勢

根據《中國制造2025》規(guī)劃，增材制造技術被列為第四次工業(yè)革命的九大支柱產業(yè)之一[18]。通過增材制造技術可以解放制造工藝對設計的束縛，開發(fā)出全新產品，實現降低重量、減小體積，提高性能效率等目標?！逗穗娭虚L期發(fā)展規(guī)劃（2011－2020）》中提到，我國將建造大規(guī)模的非能動核反應堆電站，設計中采用的Ni基、Co基、W基等特殊合金部件，加工制造難度大，容易出現性能不符合項[1]。據報道，美國橡樹嶺國家實驗室牽頭的“轉型挑戰(zhàn)反應堆”建設計劃是集成增材制造等先進制造技術在新材料等領域最新的研發(fā)成果，將于2023年建成一座微型反應堆[19?20]。俄羅斯衛(wèi)星網報道，俄原集團計劃將增材制造技術作為其非核心業(yè)務的重要組成部分，用于制造核工業(yè)設備和部件，然后再拓展至其他領域。作為新一代“革命性”制造技術，世界各國將增材制造列為未來最關鍵的制造技術之一。在核工業(yè)領域，增材制造大多應用于核電方面。

2.1 增材制造制備結構件模型以提高研究效率

在核設備設計過程中，需要大量的局部件模型來輔助研究，通過增材制造技術可以在短時間內制備縮小比例的金屬零件模型，使工程人員更直觀地提出設計中存在的缺陷以及優(yōu)化方案，從而減少設計迭代的成本周期。核工業(yè)工程設計研究公司在成功預研了Kossel并聯臂3D打印機的基礎上，完成了電弧熔絲增材制造系統(tǒng)的搭建，并實現了熱塑性塑料材料核電站主泵的增材制造，發(fā)現電弧熔絲增材制造系統(tǒng)具有良好的適應性[21]。英國劍橋大學在工程和物理科學研究理事會的資助下，通過增材制造模型輔助研究釷能，尋找新時代的核動力，幫助英國實現碳減排和核能源安全的目標[22]。

圖7 增材制造潛艇原型[16]Fig.7 Submarine prototype by additive manufacturing[16]

圖8 縮比葉輪產品[17]Fig.8 Product of the scaled impeller[17]

2.2 增材制造設備輕量化、一體化設計

增材制造技術使產品設計與制造具有更廣泛的自由度，特別是在制造復雜幾何形狀、設備輕量化、結構一體化等方面有著傳統(tǒng)工藝無法比擬的優(yōu)勢[23]。例如在一體化成形方面，百萬千瓦級壓水堆核電站一回路主泵折流管由4個零件組成，中國廣核集團采用選區(qū)激光熔化技術完成了主泵折流管組件（316L不銹鋼）的一體化成形，如圖9（a）所示，在節(jié)省了螺栓等零部件同時，簡化了設備結構[24]。

Sustainable Engine Systems公司憑借選區(qū)激光熔化技術具有的結構一體化加工便利性，開發(fā)了一種微型渦輪機的熱交換器，在針翅式熱管設計中，將隔板和針翅式熱管集成在單個結構中，如圖9（b）[25]，從而消除了焊接或釬焊的需求，同時減小整個熱管的尺寸、重量和成本且具有傳熱和壓降的優(yōu)點[26]。西門子干式低排放燃燒預混合器在使用傳統(tǒng)鑄造和機加工制造時涉及20多個零件，而通過使用3D打印僅需要兩個部件即可完成，交付周期縮短了約70%。3D打印還能夠減少供應鏈中的外部依賴性，能改善組件的幾何形狀，從而實現更好的燃料–空氣混合[27]。

圖9 增材制造主泵折流管（a）[24]；Sustainable Engine Systems生產的熱交換器（b）[25]Fig.9 Additive manufacturing main pump baffle (a)[24] ; the heat exchanger by Sustainable Engine Systems (b)[25]

2.3 增材制造關鍵部件的表面改性及性能改善

核燃料防屑板是壓水堆核燃料的重要零件之一，其作用是過濾核燃料冷卻水流中的碎屑和異物。傳統(tǒng)制備防屑板的方法是電火花加工工藝，需要在210 mm2的方形薄板上加工上千個異形方孔，單件零件加工周期長且效率低。采用激光增材制造技術制備的防屑板，產品材料選取為可時效硬化奧氏體不銹鋼，材料成分中要求Co的質量分數不超過0.04%，其他成分和要求近似于AISI 660材料，如圖10所示[28]。所制備的防屑板的力學性能、組織成分、尺寸精度均可滿足核燃料防屑板的設計要求，且與傳統(tǒng)減材制造產品相比，表面平整，痕跡分布規(guī)則，無熔融物堆積，解決了傳統(tǒng)制造組織邊界存在微米氧化層的問題，加工時間可縮短50%，單件綜合制造成本可減少56%[28]。

圖10 激光增材技術制備的防屑板[28]Fig.10 Anti-debris plate prepared by the laser additive manufacturing technology[28]

中廣核核電運營有限公司根據核電站管端法蘭面腐蝕狀況，采用電弧增材再制造方法制備滿足核電設計標準的法蘭面堆焊層，如圖11所示[29]。堆焊層選用的ER316鋼中存在一定數量的鐵素體，能有效防止和降低焊接熱裂紋的產生，并能提高焊縫的抗晶間腐蝕能力。通過線電弧增材再制造工藝，堆焊層沖擊吸收能量值超過130 J，裕度大；堆焊層產生的應力小，在法蘭堆焊層端面產生的應力約為275 MPa，遠低于材料的屈服強度[29]。

圖11 法蘭面電弧增材再制造過程前后對比[29]：（a）修復前；（b）修復后Fig.11 Comparison of the flange surface prepared by the additive remanufacturing process[29]: (a) before repair ; (b) after repair

美國愛達荷國家實驗室（Idaho national laboratory，INL）將傳統(tǒng)工藝與增材制造技術相結合，成功制造出了U3Si2核燃料，與當前大多數核電廠使用的UO2核燃料相比，U3Si2的密度更大，導熱性更好，能提高核反應堆的安全性和效率。在實驗中，愛達荷國家實驗室將傳統(tǒng)的鈾礦石研磨處理方法和“激光塑形”增材制造工藝相結合，制造出質密的U3Si2小球。這種新方法大大降低了將生鈾轉化為可用材料的速度，成本更低，且通用性強，能處理任意的鈾原料[30?31]。

3 增材制造技術在核工業(yè)領域應用

核工業(yè)中所應用的材料及零部件正向著多材料、功能化、智能化、柔性化的方向發(fā)展。張國明[32]在《基于增材思維的先進設計與智能制造》中談到的，增材制造是新一輪科技革命和產業(yè)革命的重要引擎和顛覆性技術體系。

3.1 新型核級材料體系的開發(fā)

不銹鋼、鎳基合金、低合金鋼、鋯合金等均為核級材料，應當研究針對金屬增材制造的高質量金屬球形粉末成形與制備技術，開發(fā)空心粉率低、顆粒形狀規(guī)則、粒度均勻、雜質元素含量低的高品質粉末，研究增材制造專用液態(tài)金屬材料。

目前，激光增材制造技術已具備將單一組分金屬粉末直接制備成形狀任意、完全冶金結合、高精度金屬樣品的能力，然而由于激光增材制造迅速升溫和迅速冷卻的特點，熔池的熱影響會導致最終部件的微觀組織與傳統(tǒng)鑄件、鍛件存在明顯不同。此外由于核級材料的工況特殊，對制備技術的可靠性和工藝成熟性有著更高的要求。

3.2 核級設備增材制造的設計創(chuàng)新

目前電子束熔化、選區(qū)激光熔化等增材制造技術只能進行單材料粉末的鋪送粉，難以滿足零件不同部位對材料性能的不同要求。對于無焊接一體化制造堆芯、復雜梯度燃料、一體化制造燃料及包殼等的設計問題以及異質、梯度、多尺度材料結構件難以成形的問題[33]，多材料增材制造可以提供有效解決方案。多材料增材制造技術的優(yōu)勢在于4個方面：（1）可實現工作面上多材料精確送粉，可針對指定區(qū)域進行粉末的定量輸送；（2）可實現零件在不同部位上的組織性能精準調控，可設計程度高；（3）可實現制造的數字化、智能化和并行化，柔性化程度高；（4）可實現特殊功能結構件的“原位制造”。

圖12 雙金屬腔室覆層[12]Fig.12 Bimetallic chamber cladding[12]

3.2.1 異質核材料結構件

核工業(yè)中的壓力容器或包殼材料壁面一般采用涂層進行防護，例如Zr合金包殼。在反應堆芯無法維持充足水量時，包殼表面保護涂層避免了Zr合金包殼與高溫水蒸汽接觸，從而降低甚至消除了氫氣的危害，達到大幅度減小核泄漏概率的目的。但包殼涂層一般較薄而且容易失效，因此采用多材料增材制造能夠制備所需厚度的防護層，從而顯著提高構件的服役性能及壽命[34]。多材料增材制造還可以在鋼鐵材料表面沉積一定厚度的高溫合金、鎢、銅等材料來滿足不同的性能要求，防護金屬層厚度可以根據服役環(huán)境及設計需要自由調整，而且可以一次性近凈成形。較傳統(tǒng)鍍覆涂層方式，該方法既降低了成本又提高了性能[35?37]。

3.2.2 梯度、多尺度核材料結構件

采用多材料增材制造可以在堆積方向上靈活設計不同粉層，利用多材料精確送粉裝置置入相應比例的組織細化劑，通過調控零件不同位置上的組織細化程度，調控零件性能。美國國家航空航天局成功采用激光電弧熔絲工藝將各種超級合金加入GRCop銅合金中，并測得其具有優(yōu)良性能[38?39]?？山梃b航天航空多合金增材制造和復合材料輕質可重復使用的推力室組件設計理念，將其應用于核級梯度材料的設計開發(fā)。

3.2.3 功能性核材料結構件

采用多材料增材制造方法能夠在同一平面上一次性成形多種材料，例如同一平面上按照形狀特點可以沉積高溫合金與不銹鋼兩種材料，形成具有功能性的“磚?泥”結構。多材料增材制造方法較焊接、鉚接等傳統(tǒng)連接方法大大降低了生產成本，且界面能夠實現完全的化學?冶金結合，提高使用性能[40?41]。

3.3 大力構建增材制造核電領域“一條龍”規(guī)范平臺

中國核動力設計研究院在2020年被工信部正式確認為工業(yè)強基工程“3D打印一條龍”核電領域的應用示范（龍頭）單位，其牽頭申請的“基于3D打印的核電廠模塊化高效換熱設備研發(fā)”項目是工藝“一條龍”應用計劃示范典型?！耙粭l龍”制造模式將更加適合于核電領域的發(fā)展，這種模式將會提高核級設備產品研發(fā)迭代的效率，最大程度地促進增材制造在核電領域發(fā)揮輕量化、產品一體化的優(yōu)勢。核材料對安全性有極高的要求，增材制造技術進入核級裝備的生產制造，必須經過層層嚴苛認證。對于核級設備制造商，必須具備核安全局頒發(fā)的生產許可證才能踏入核級設備制造的門檻。

4 結語

增材制造技術將給核級設備提供新的實現途徑，研究者可以圍繞新型核級材料體系的開發(fā)、核級設備增材制造的設計創(chuàng)新來提高材料適用性，大力構建增材制造系統(tǒng)的規(guī)范平臺，提升增材制造核產品的設計、開發(fā)和制造能力。隨著仿真技術的不斷進步，材料學科的不斷發(fā)展，行業(yè)標準的不斷完善，增材制造技術的引入將會為核工業(yè)領域帶來全新的發(fā)展思路，從而解決核反應堆技術的卡脖子難題，促進核工業(yè)的持續(xù)發(fā)展。