1、研究背景

增材制造(Additive Manufacturing,AM),亦稱3D打印技術(shù)，自20世紀(jì)80年代誕生以來，以其顛覆性創(chuàng)新特質(zhì)重塑全球制造業(yè)格局[1]。2013年,美國(guó)麥肯錫咨詢公司將其列為“決定未來經(jīng)濟(jì)的十二大顛覆性技術(shù)”之一，彰顯其戰(zhàn)略價(jià)值[2-3]。在核電領(lǐng)域，這一技術(shù)正以前所未有的深度與廣度，推動(dòng)核能裝備從設(shè)計(jì)研發(fā)到運(yùn)行維護(hù)的全生命周期革新。國(guó)際上,美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的3D打印堆芯支架[4]自2021年起便在反應(yīng)堆中開展長(zhǎng)期測(cè)試(圖1);法國(guó)法馬通于2022年在瑞典核電站完成首個(gè)3D打印不銹鋼燃料組件的安裝。在國(guó)內(nèi)，核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院自主研發(fā)的3D打印過程智能在線監(jiān)控系統(tǒng),為核級(jí)部件3D打印的工程應(yīng)用提供了核心技術(shù)保障[5]。

在全球競(jìng)逐先進(jìn)制造制高點(diǎn)的背景下，增材制造已成為核工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心引擎。對(duì)中國(guó)而言,發(fā)展自主可控的增材制造技術(shù),不僅是實(shí)現(xiàn)核能裝備“性能超車”的關(guān)鍵路徑,更是推動(dòng)制造業(yè)由“規(guī)模擴(kuò)張”向“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)”躍遷的必由之路。因此,本文將在介紹增材制造核心技術(shù)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)結(jié)合東方重機(jī)在核級(jí)316L不銹鋼構(gòu)件增材制造方面的研究成果,探討該技術(shù)在核電領(lǐng)域的深化實(shí)踐路徑與面臨的挑戰(zhàn)。

2、增材制造技術(shù)常用方法與典型應(yīng)用

增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從“制造約束設(shè)計(jì)”到“設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)制造”的轉(zhuǎn)變。其中，選區(qū)激光熔化(SLM)、電子束熔化(WAAM)和定向能量沉積(DED)等技術(shù)憑借獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已成為當(dāng)前研究和應(yīng)用的前沿。

2.1激光選區(qū)熔化

選區(qū)激光熔化技術(shù)(圖2)通過高能激光對(duì)金屬粉末的選擇性逐層熔化[6],可實(shí)現(xiàn)近全致密金屬構(gòu)件的制造。SLM技術(shù)在鋼鐵[7]、鈦合金[8]、鎳基高溫合金9等材料體系中取得突破，推動(dòng)了航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的發(fā)展，但也面臨成本高、成形尺寸受限等挑戰(zhàn)。

在核電領(lǐng)域，以國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)為例,其關(guān)鍵構(gòu)件材料性能要求極高[10-11]。Zhong研究團(tuán)隊(duì)[12]通過SLM技術(shù)成功制備出接近全致密的316L不銹鋼構(gòu)件,研究發(fā)現(xiàn),SLM工藝獨(dú)特的快速凝固過程能形成具有強(qiáng)化作用的胞狀亞結(jié)構(gòu)和氧化硅納米夾雜物,顯著提升了材料的抗裂紋擴(kuò)展能力(圖3)。這一材料體系的研究基礎(chǔ),與東重后續(xù)在核級(jí)316L換熱器構(gòu)件上的研究一脈相承。

2.2線弧增材制造

線弧增材制造技術(shù)基于電弧焊接原理(圖4)，通過金屬絲材的逐層堆疊[13],實(shí)現(xiàn)高達(dá)10kg/h的沉積速率，在大尺寸構(gòu)件制造方面具有效率高、成本低的優(yōu)勢(shì)[14]。在材料應(yīng)用方面,通過引入冷金屬過渡(CMT)技術(shù)和層間軋制等創(chuàng)新工藝,可有效解決孔隙率、殘余應(yīng)力等問題[15]。值得注意的是，2015年,中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院與南方增材科技有限公司合作,采用WAAM技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了ACP100反應(yīng)堆壓力容器的近凈成形制備[16],展示了該技術(shù)在核電主設(shè)備制造中的潛力(圖5)。

2.3定向能量沉積

如圖6所示，定向能量沉積技術(shù)通過激光束能量輸入產(chǎn)生熔池，同步熔融粉末或線材原料，逐層沉積形成三維部件[18]。DED技術(shù)已在航空航天(如NASA火箭噴嘴)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用[19]。在核電領(lǐng)域,其多材料復(fù)合制造與功能梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有望為反應(yīng)堆關(guān)鍵部件的定制化修復(fù)與制造提供新途徑,詳見表1。

表1典型增材制造工藝對(duì)比[20-21]

3、增材制造技術(shù)在核電領(lǐng)域的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用潛力

增材制造技術(shù)正在深刻改變核能裝備的設(shè)計(jì)與制造范式[22-23]。首先,其逐層堆積特性大幅縮短了設(shè)計(jì)迭代周期,國(guó)內(nèi)核工業(yè)機(jī)構(gòu)研發(fā)的電弧熔絲增材系統(tǒng)[24-25]等實(shí)踐,充分證明了其在加速核能創(chuàng)新方面的戰(zhàn)略價(jià)值。其次,增材制造賦予設(shè)計(jì)極大自由度，中國(guó)廣核集團(tuán)采用SLM技術(shù)成功將主泵折流管[26]從4個(gè)零件一體化成型為單一組件，顯著提升了設(shè)備可靠性(見圖7(a))。如圖7(b),Sustainable Engine Systems公司通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的熱交換器微型渦輪機(jī)針翅式熱管一體化制造[27]。此外,在材料性能提升方面,激光增材制造技術(shù)成功制備出高性能核燃料防屑板[28],將加工周期縮短50%、成本降低56%;美國(guó)愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的“激光塑形”技術(shù),成功制備出性能更優(yōu)的U3Si2燃料小球，為先進(jìn)核燃料制造開辟了新路徑。

正是基于上述技術(shù)在效率、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和材料性能方面的顯著優(yōu)勢(shì),東方重機(jī)針對(duì)核級(jí)裝備的嚴(yán)苛要求，開展了深入的增材制造技術(shù)研究，特別是在核級(jí)316L不銹鋼構(gòu)件的成形工藝與組織調(diào)控方面取得了創(chuàng)新性成果。

4、東方重機(jī)在核電領(lǐng)域增材制造技術(shù)的應(yīng)用

東方重機(jī)在核級(jí)增材制造領(lǐng)域的研究，重點(diǎn)聚焦316不銹鋼粉末特性優(yōu)化與選區(qū)激光熔化(SLM)成形工藝的適配性開發(fā)，核心采用氣霧化預(yù)合金化技術(shù)制備核級(jí)316粉末,搭配SLM工藝開展成形研究,經(jīng)表征驗(yàn)證粉末與工藝的適配性,最終通過工藝優(yōu)化使核級(jí)316不銹鋼構(gòu)件致密度達(dá)99.5%以上，形成核級(jí)復(fù)雜構(gòu)件精密成形的可行方案。

此外,針對(duì)核級(jí)裝備需在復(fù)雜多向應(yīng)力下保持高可靠性與性能一致性這一行業(yè)核心需求，公司突破傳統(tǒng)工藝參數(shù)優(yōu)化的局限，從決定材料性能的凝固路徑這一遺傳源頭入手，通過成分設(shè)計(jì)與工藝調(diào)控,系統(tǒng)闡釋了“凝固行為-顯微組織-晶體織構(gòu)”之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)與傳導(dǎo)機(jī)理。以下結(jié)合東方重機(jī)選區(qū)激光熔化制備316L核級(jí)換熱器的最新研究成果，具體闡述凝固路徑設(shè)計(jì)、組織形成機(jī)制與織構(gòu)各向異性調(diào)控在核級(jí)構(gòu)件增材制造中的關(guān)鍵作用與創(chuàng)新價(jià)值。

4.1凝固路徑的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與調(diào)控機(jī)理

凝固路徑?jīng)Q定了材料的初始相組成與微觀結(jié)構(gòu)雛形，是影響增材制造構(gòu)件最終性能的遺傳性因素。如圖8所示，研究摒棄了傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)法，創(chuàng)新性地采用計(jì)算相圖(CALPHAD)方法，對(duì)Fe-Cr-Ni體系進(jìn)行熱力學(xué)模擬。通過計(jì)算偽二元截面相圖，明確了不同成分下奧氏體(A)、奧氏體-鐵素體(AF)、鐵素體一奧氏體(FA)及純鐵素體(F)的凝固序列。

通過試驗(yàn)研究,不僅獲得了平衡態(tài)下的凝固模式,更深入分析了在增材制造極端非平衡快速凝固條件下，凝固路徑可能發(fā)生的偏移機(jī)制。例如，高冷卻速率會(huì)抑制擴(kuò)散控制的相變，可能使亞穩(wěn)態(tài)相保留,或改變二次相析出順序。通過建立并計(jì)算等效鐵素體穩(wěn)定元素(Creq)與奧氏體穩(wěn)定元素(Nieq)模型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)粉末原料Creq/Nieq比值的定量化設(shè)計(jì)與精確篩選。這一方法的核心創(chuàng)新在于,將成分設(shè)計(jì)從宏觀比例控制,提升至對(duì)凝固過程中相競(jìng)爭(zhēng)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的主動(dòng)干預(yù)，從源頭上為獲得目標(biāo)微觀組織奠定了基礎(chǔ)。

4.2顯微組織形成機(jī)制與工藝調(diào)控

SLM工藝中，激光與粉末相互作用形成瞬態(tài)熔池并快速凝固，產(chǎn)生典型的“魚鱗狀”形貌與“細(xì)長(zhǎng)柱狀晶+超細(xì)等軸晶”復(fù)合組織(圖9)。研究揭示，熔池內(nèi)三維溫度梯度分布導(dǎo)致柱狀晶沿最大熱流方向外延生長(zhǎng)，而熔池邊緣因極高冷卻速率與過冷度誘發(fā)大量等軸晶形核。通過系統(tǒng)調(diào)控激光功率、掃描速度與層間溫度等關(guān)鍵參數(shù)，可優(yōu)化熔池形貌、細(xì)化晶粒并改善元素分布均勻性，從而顯著提升材料致密度(>99.5%)與疲勞性能。本研究首次在核電換熱器構(gòu)件中實(shí)現(xiàn)工藝一組織一性能的閉環(huán)調(diào)控，為核級(jí)復(fù)雜構(gòu)件的精密成形提供了工藝依據(jù)。

4.3基于熱處理的織構(gòu)調(diào)控與組織均質(zhì)化

在核能裝備中，構(gòu)件常承受多向復(fù)雜應(yīng)力，若材料存在顯著各向異性，將嚴(yán)重影響其性能一致性與服役安全性。東重的研究結(jié)果表明SLM成形的316L不銹鋼因沿構(gòu)建方向強(qiáng)烈的溫度梯度，形成明顯的<100〉纖維織構(gòu)，導(dǎo)致力學(xué)性能呈現(xiàn)顯著方向依賴性。通過熱處理誘發(fā)再結(jié)晶與晶粒長(zhǎng)大，可有效打破外延生長(zhǎng)形成的織構(gòu),使晶體取向分布趨于隨機(jī)(圖10)。這一調(diào)控不僅降低了材料的各向異性,更提升了構(gòu)件在不同方向上的強(qiáng)度與韌性匹配性。該研究從織構(gòu)形成與演變機(jī)理出發(fā)，明確了熱處理在實(shí)現(xiàn)核級(jí)構(gòu)件組織均質(zhì)化與性能穩(wěn)定化中的關(guān)鍵作用,為增材制造核級(jí)部件的工程應(yīng)用提供了重要的理論支撐。

綜上所述,研究通過凝固路徑設(shè)計(jì)一組織工藝調(diào)控一織構(gòu)均質(zhì)化優(yōu)化三個(gè)環(huán)節(jié)的系統(tǒng)研究,構(gòu)建了“成分工藝組織性能”一體化的核級(jí)構(gòu)件增材制造優(yōu)化框架,不僅顯著提升了316L不銹鋼在核級(jí)換熱器中的應(yīng)用性能，也為其他核級(jí)材料的增材制造提供了可復(fù)制的研究方法與技術(shù)路徑,具有較強(qiáng)的理論創(chuàng)新性與工程指導(dǎo)價(jià)值。

5、未來發(fā)展與挑戰(zhàn)

增材制造技術(shù)在核電裝備研發(fā)與制造中的應(yīng)用正逐步深入，東方重機(jī)通過凝固路徑優(yōu)化、工藝參數(shù)調(diào)控等手段，在核級(jí)316L不銹鋼構(gòu)件的成形質(zhì)量與性能控制方面開展了系統(tǒng)研究。該技術(shù)憑借獨(dú)特的逐層堆積和多材料集成特性,在核級(jí)材料開發(fā)、復(fù)雜構(gòu)件一體化制造和功能集成方面展現(xiàn)出顯著潛力:既突破了傳統(tǒng)制備方法的局限,實(shí)現(xiàn)了材料微觀組織的精確調(diào)控與性能提升,又以高設(shè)計(jì)自由度和近凈成形特點(diǎn)，為優(yōu)化裝備可靠性與經(jīng)濟(jì)性提供了新途徑。

然而,增材制造技術(shù)在核電領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用仍面臨多重挑戰(zhàn)。一方面，逐層堆積的成形方式易導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部出現(xiàn)孔隙、未熔合等體積性缺陷，且其創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)的內(nèi)部仿生通道、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等復(fù)雜幾何構(gòu)型,使常規(guī)無損檢測(cè)手段難以全面覆蓋,尤其傳統(tǒng)剛性超聲探頭無法貼合復(fù)雜曲面,易形成檢測(cè)盲區(qū),嚴(yán)重影響檢測(cè)結(jié)果可靠性,這一問題亟待技術(shù)突破;另一方面,3D打印技術(shù)發(fā)明之初未針對(duì)核工業(yè)需求適配,導(dǎo)致核工業(yè)領(lǐng)域的3D打印標(biāo)準(zhǔn)仍處于開發(fā)階段，工藝標(biāo)準(zhǔn)化、質(zhì)量認(rèn)證體系建立等關(guān)鍵環(huán)節(jié)尚需行業(yè)協(xié)同攻關(guān)。

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（注，原文標(biāo)題：增材制造技術(shù)在核電領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展_張立殷）