本發(fā)明涉及一種低活化馬氏體鋼選區(qū)激光熔化增材制造工藝，可用于聚變堆包層及裂變堆等先進(jìn)核能系統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的快速成型。

背景技術(shù)：

增材制造(即3D打印)是近年來興起并迅速發(fā)展的新興快速精密加工制造技術(shù)，已在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；該技術(shù)可以加工傳統(tǒng)方法難以制造的零件，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件成型精度高、生產(chǎn)效率高以及部件一體成型效果好等優(yōu)點(diǎn)。由于不同的材料快速成型工藝差別較大，部件快速成型工藝是該技術(shù)的關(guān)鍵。聚變堆采用低活化馬氏體鋼作為結(jié)構(gòu)材料，低活化馬氏體鋼具有優(yōu)良的熱物理性能、抗輻照腫脹性能、抗液態(tài)金屬腐蝕性能等，已被選為聚變堆包層的主要結(jié)構(gòu)材料，也是未來聚變工程示范堆包層的主要候選結(jié)構(gòu)材料；同時(shí)，低活化馬氏體鋼也是鉛基堆燃料組件等先進(jìn)核能系統(tǒng)關(guān)鍵部件的主要候選結(jié)構(gòu)材料。聚變堆包層及鉛基堆燃料組件等先進(jìn)核能系統(tǒng)關(guān)鍵部件服役條件嚴(yán)苛，需承受強(qiáng)中子輻照、高表面熱流、高核熱沉積、高壓及復(fù)雜機(jī)械載荷等，且這些關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)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(jìn)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。目前，先進(jìn)核能系統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)含流道冷卻部件的成型多采用焊接的方法，尤其是多采用熱影響區(qū)較小的高能束(如電子束、激光)等焊接方法結(jié)合特殊成型工藝(如專利：CN201110250136.4)等；同時(shí)，為進(jìn)一步提高復(fù)雜部件的整體成型性能，也采用特種焊接方法(如熱等靜壓擴(kuò)散焊接、電子束、激光等)的復(fù)合焊接技術(shù)(如專利：CN200810021143.5)，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(zhǎng)、成本高。

3D打印可一次成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件，部件變形小，近凈成型，無需后續(xù)加工處理等，適合具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件的成型；將3D打印快速成型的精密加工技術(shù)運(yùn)用于聚變堆包層等先進(jìn)核能系統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的制備，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，需開展聚變堆特殊結(jié)構(gòu)材料的復(fù)雜部件快速成型工藝的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題：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，提供一種低活化馬氏體鋼選區(qū)激光熔化增材制造工藝，以解決先進(jìn)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。本發(fā)明優(yōu)選選區(qū)激光熔化工藝進(jìn)行聚變堆包層等先進(jìn)核能系統(tǒng)關(guān)鍵復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的快速加工制造，具有部件可一次成型、成型精度高及成型質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：一種低活化馬氏體鋼選區(qū)激光熔化增材制造工藝，實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)原材料為低活化馬氏體鋼微球粉末，且細(xì)粉與粗粉按一定比例配比，以提高填充密度；

(2)對(duì)要成型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行圖形計(jì)算機(jī)描述，將要成形的復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件三維圖紙輸入控制計(jì)算機(jī)中，主要包括三維模型的構(gòu)造，根據(jù)是否需要添加支撐等選擇成型方向，據(jù)部件的大小選擇分層切片的厚度與層數(shù)，截面輪廓線的提取和填充等，設(shè)定切片厚度及總分層數(shù)量等；

(3)設(shè)定選區(qū)激光熔化工藝，激光功率20-300W，光束直徑70-135um，掃描速度500-2000mm/s，掃描間距35-120um，分層厚度20-50um，粉末預(yù)熱150-300℃，成型速度5-20cm³/h，成型室內(nèi)氬氣保護(hù)且壓力維持在10-20mbar；

(4)粉末配比，細(xì)粉(200-400目)與粗粉(50-150目)的粉末重量配比為1～1.5，在真空條件下混合均勻，防止粉末氧化；

(5)鋪粉與熔化，通過送粉機(jī)構(gòu)在基板上均勻鋪設(shè)一層厚度為0.2-1mm的低活化馬氏體(CLAM)鋼粉末，采用激光束按照計(jì)算機(jī)圖形切片形狀對(duì)粉末進(jìn)行快速成型，后續(xù)依次進(jìn)行鋪粉并激光束熔化快速成型，直至復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件完成成型；

(6)部件制造完畢后在300-400℃下保溫48小時(shí)以上，最后對(duì)成型部件進(jìn)行熱處理，熱處理工藝：隨爐升溫至720-760℃，保溫60-120min，再隨爐冷卻至100℃以下后出爐冷卻，以減小殘余應(yīng)力，提高成型部件的整體性能；

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件可一次近凈成型，尺寸精度可達(dá)+0.5mm以內(nèi)，表面質(zhì)量較高，一般無需后續(xù)機(jī)加工處理；

(2)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件成型并經(jīng)過熱處理后材料的顯微組織與力學(xué)性能具有各向同性且均勻化；

(3)成型在氬氣保護(hù)環(huán)境中進(jìn)行，成型零件氧元素含量(低于100ppm)符合標(biāo)準(zhǔn)，避免了材料氧化，部件成型質(zhì)量高，組織均勻，無氣孔、裂紋及未熔顆粒等缺陷；

(4)成型后的剩余粉末可回收再利用，材料利用率接近100％，成型速度較高(可達(dá)到約80cm³/h)等。

附圖說明

圖1為中國(guó)液態(tài)DFLL包層第一壁部件；

圖2為中國(guó)液態(tài)DFLL包層冷卻板部件；

圖3為中國(guó)鉛基堆燃料組件包殼管上下管座部件。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容，不僅僅限于本實(shí)施例。

實(shí)施例1，以聚變堆中國(guó)液態(tài)DFLL包層第一壁部件快速成型為例，如圖1所示，結(jié)構(gòu)材料為中國(guó)低活化馬氏體(CLAM)鋼；

(1)材料為低活化馬氏體(CLAM)鋼的微球粉末，并將細(xì)粉(200-350目)與粗粉(50-100目)按按重量配比1:1.5混合后裝入送粉機(jī)構(gòu)中，粉末預(yù)熱300℃；

(2)選區(qū)激光熔化設(shè)備抽真空，待真空度達(dá)到10^-3Pa量級(jí)后向真空室充入高純Ar₂，待真空度達(dá)到1MPa后，再次抽真空并充入高純Ar₂，如此反復(fù)洗爐2次以上；

(3)首先通過送粉機(jī)構(gòu)在鋪粉平面上鋪展一層厚度為0.5mm的CLAM鋼細(xì)粉與粗粉混合配比粉末；

(4)將快速成型的部件的STL格式圖紙輸入計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助圖形處理；根據(jù)部件的尺寸大?。洪L(zhǎng)*寬*高＝161mm*155mm*205mm，選擇分層厚度為0.5mm，考慮部件成型后與基板的加工分離，總分層數(shù)為4120層；

(5)選區(qū)激光熔化工藝：激光功率250W，激光直徑80um，掃描速度2000mm/s，掃描間距90um，分層厚度50um，粉末預(yù)熱300℃，成型室內(nèi)氬氣保護(hù)，氬氣壓力17mbar，在整個(gè)成型過程中確保成型室內(nèi)溫度在350℃左右；

(6)激光束在計(jì)算機(jī)的控制下按照截面輪廓的信息進(jìn)行有選擇的燒結(jié)，金屬粉末在激光束的轟擊下被燒結(jié)在一起，并與下面已成型的部分粘結(jié)，待第一層粉末熔化后，通過送粉機(jī)構(gòu)鋪設(shè)第二層粉末，粉末厚度均勻且與第一層厚度相同，如此層層堆積，直至整個(gè)零件全部燒結(jié)完成；

(7)部件燒結(jié)完成后，在成型室內(nèi)350℃環(huán)境中保溫72小時(shí)以防止部件產(chǎn)生裂紋，保溫結(jié)束后開始冷卻至室溫，開爐并回收多余的填充粉末后取出部件；

(8)部件熱處理；部件取出后進(jìn)行真空熱處理，以減小部件成型過程中的殘余應(yīng)力，提高部件的整體性能，熱處理工藝：隨爐升溫至740℃，保溫120min，隨爐冷卻至100℃以下后出爐冷卻；

(9)經(jīng)計(jì)算與測(cè)量，第一壁部件的成型速度為50cm³/h，成型精度達(dá)到+0.3mm，金相觀察組織均勻，無氣孔、裂紋及未熔顆粒等缺陷。

實(shí)施例2：以聚變堆中國(guó)液態(tài)DFLL包層冷卻板部件快速成型為例，如圖2所示，結(jié)構(gòu)材料為中國(guó)低活化馬氏體(CLAM)鋼；

(1)材料為低活化馬氏體(CLAM)鋼的微球粉末，并將細(xì)粉(200-350目)與粗粉(50-150目)按按重量配比1:1.5混合后裝入送粉機(jī)構(gòu)中，粉末預(yù)熱250℃；

(2)選區(qū)激光熔化設(shè)備抽真空，待真空度達(dá)到10^-3Pa量級(jí)后向真空室充入高純Ar₂，待真空度達(dá)到1MPa后，再次抽真空并充入高純Ar₂，如此反復(fù)洗爐2次以上；

(3)首先通過送粉機(jī)構(gòu)在鋪粉平面上鋪展一層厚度為0.3mm的CLAM鋼細(xì)粉與粗粉混合配比粉末；

(4)將快速成型的部件的STL格式圖紙輸入計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助圖形處理；根據(jù)部件的尺寸大?。洪L(zhǎng)*寬*高＝200mm*101mm*10mm，選擇分層厚度為0.3mm，考慮部件成型后與基板的加工分離，總分層數(shù)為40層；

(5)選區(qū)激光熔化工藝：激光功率150W，激光直徑90um，掃描速度1000mm/s，掃描間距100um，分層厚度30um，粉末預(yù)熱250℃，成型室內(nèi)氬氣保護(hù)，氬氣壓力13mbar，在整個(gè)成型過程中確保成型室內(nèi)溫度在300℃左右；

(6)激光束在計(jì)算機(jī)的控制下按照截面輪廓的信息進(jìn)行有選擇的燒結(jié)，金屬粉末在激光束的轟擊下被燒結(jié)在一起，并與下面已成型的部分粘結(jié)，待第一層粉末熔化后，通過送粉機(jī)構(gòu)鋪設(shè)第二層粉末，粉末厚度均勻且與第一層厚度相同，如此層層堆積，直至整個(gè)零件全部燒結(jié)完成；

(7)部件燒結(jié)完成后，在成型室內(nèi)300℃環(huán)境中保溫60小時(shí)以防止部件產(chǎn)生裂紋，保溫結(jié)束后開始冷卻至室溫，開爐并回收多余的填充粉末后取出部件；

(8)部件熱處理；部件取出后進(jìn)行真空熱處理，以減小部件成型過程中的殘余應(yīng)力，提高部件的整體性能，熱處理工藝：隨爐升溫至760℃，保溫120min，隨爐冷卻至100℃以下后出爐冷卻。

(9)經(jīng)計(jì)算與測(cè)量，冷卻板部件的成型速度約為60cm³/h，成型精度達(dá)到+0.4mm，金相觀察組織均勻，未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋及未熔顆粒等缺陷。

實(shí)施例3：以中國(guó)鉛基堆燃料組件包殼管上下管座部件快速成型為例，如圖3所示，結(jié)構(gòu)材料為中國(guó)低活化馬氏體鋼；

(1)材料為低活化馬氏體鋼(CLAM)的微球粉末，并將細(xì)粉(200-300目)與粗粉(80-150目)按按重量配比1:1.5混合后裝入送粉機(jī)構(gòu)中，粉末預(yù)熱250℃；

(2)選區(qū)激光熔化設(shè)備抽真空，待真空度達(dá)到10^-3Pa量級(jí)后向真空室充入高純Ar₂，待真空度達(dá)到1MPa后，再次抽真空并充入高純Ar₂，如此反復(fù)洗爐2次以上；

(3)首先通過送粉機(jī)構(gòu)在鋪粉平面上鋪展一層厚度為0.5mm的CLAM鋼細(xì)粉與粗粉混合配比粉末；

(4)將快速成型的部件的STL格式圖紙輸入計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助圖形處理；根據(jù)部件的尺寸大小：長(zhǎng)*寬*高＝117mm*130mm*10mm，選擇分層厚度為0.2mm，考慮部件成型后與基板的加工分離，總分層數(shù)為80層；

(5)選區(qū)激光熔化工藝：激光功率80W，激光直徑70um，掃描速度700mm/s，掃描間距80um，分層厚度20um，粉末預(yù)熱250℃，成型室內(nèi)氬氣保護(hù)，氬氣壓力15mbar，在整個(gè)成型過程中確保成型室內(nèi)溫度在350℃左右；

(6)激光束在計(jì)算機(jī)的控制下按照截面輪廓的信息進(jìn)行有選擇的燒結(jié)，金屬粉末在激光束的轟擊下被燒結(jié)在一起，并與下面已成型的部分粘結(jié)，待第一層粉末熔化后，通過送粉機(jī)構(gòu)鋪設(shè)第二層粉末，粉末厚度均勻且與第一層厚度相同，如此層層堆積，直至整個(gè)零件全部燒結(jié)完成；

(7)部件燒結(jié)完成后，在成型室內(nèi)350℃環(huán)境中保溫48小時(shí)以防止部件產(chǎn)生裂紋，保溫結(jié)束后開始冷卻至室溫，開爐并回收多余的填充粉末后取出部件；

(8)部件熱處理；部件取出后進(jìn)行真空熱處理，以減小部件成型過程中的殘余應(yīng)力，提高部件的整體性能，熱處理工藝：隨爐升溫至720℃，保溫90min，隨爐冷卻至100℃以下后出爐冷卻；

(9)經(jīng)計(jì)算與測(cè)量，該管座部件的成型速度為75cm³/h，成型精度達(dá)到+0.2mm，金相觀察組織均勻，無氣孔、裂紋及未熔顆粒等缺陷。

需要說明的是，按照本發(fā)明上述各實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員是完全可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求1及從屬權(quán)利的全部范圍的，實(shí)現(xiàn)過程及方法同上述各實(shí)施例；且本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。

以上所述，僅為本發(fā)明部分具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本領(lǐng)域的人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。