中国核动力研究设计院：核电用316L不锈钢粉末增材制造研究现状

| 3DScienceValley · 2023/05/27

随着我国核电事业的快速发展，部分核能设备的设计变得更加精密复杂，这部分核能设备若采用传统制造工生产，则存在生产周期长、制造工序多的问题，而采用增材制造工艺可以实现具有复杂精密结构设备的高效生产。

不锈钢具备优良的耐氧化性能、力学性能和抗腐蚀性能，在核电领域具有广泛的应用。尤其是福岛事故之后，不锈钢（如 FeCrAl 铁素体不锈钢材料、316Ti 和 15–15Ti 奥氏体不锈钢等）被选为轻水堆耐事故燃（Accident Tolerant Fuel，ATF）材料的主要研发方向之一。此外，不锈钢材料具有良好的焊接性能，因此采用增材制造技术可以实现其较好的冶金结合与成形，将增材制造技术引入核电领域必将有利于耐事故燃料材料的发展与应用。

中国核动力研究设计院的研究团队在《精密成形工程》发表了《核电用316L不锈钢粉末增材制造研究现状》一文，揭示了辐照前与辐照后316L不锈钢增材制造成形件的组织与性能，以及核电316L 不锈钢的指标要求等。

增材制造技术是一种无须模具、近净成形的先进制造工艺。不锈钢是一种在核电行业广泛应用的结构材料。实现不锈钢结构件的增材制造将进一步推动增材制造技术的发展，也可为核行业带来革命性改变。以核电用316L不锈钢为例，系统阐述了不锈钢粉末增材制造研究现状，包括粉末制备工艺现状、增材制造成形工艺现状以及成形件的组织性能研究现状。

目前，增材制造用316L不锈钢粉末的制备工艺主要为雾化法，粉末的物化性能受制粉工艺参数的影响。在激光粉末床熔融增材制造技术、电子束选区熔化技术和等离子增材制造技术中，尤以激光粉末床熔融增材制造不锈钢的应用最为广泛。

增材制造316L不锈钢的组织与性能存在各向异性，但各向异性可通过增材制造的后处理技术消除。目前增材制造最为常用的后处理技术为热处理。与锻造316L不锈钢相比，经热等静压处理的增材制造316L不锈钢的力学性能与辐照性能更优。目前，核用不锈钢的增材制造技术还处于起始阶段，后续应重点关注增材制造的成形机理及成形材料中子辐照性能等内容。

图1 激光粉末床熔融增材制造示意图

图2 冷轧316L不锈钢和SLM–316L不锈钢金相及SEM图

图3 316L不锈钢背散射电子图

图4 西屋公司采用增材制造工艺制备的阻流塞

总结

在工业4.0背景下，增材制造技术因具有高效、清洁等优点得到了快速的发展，特别是在制造具有复杂结构零部件等方面具有无可比拟的优势。不锈钢作为核电领域广泛应用的一种结构材料，实现其增材制造结构件的应用必将给核行业带来更好的发展，并且也能进一步推动增材制造技术在核领域的推广与应用。针对增材制造不锈钢的研究，后续除开展粉末制备工艺及增材制造工艺研究外，更应详细开展增材制造过程中熔池行为及增材制造后处理工艺研究，并系统全面评价其中子辐照性能。

论文引用信息：

DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2023.05.025

期刊英文名称简写：J. Netshape Form. Eng.

杨青峰，高士鑫，陈平，廖楠，周毅，尹春雨，段振刚，尹泓卜等.核电用316L不锈钢粉末增材制造研究现状[J]. 精密成形工程, 2023, 15(5): 209-219.

Yang Qingfeng, GAO Shixin, Chen Ping, Liao Nan, Zhou Yi, Yin Chunyu, Duan Zhengang, Yin Hongbu, et al. Research status of additive manufacturing of 316L Stainless Steel Powder for nuclear power [J]. Precision Forming Engineering, 2023, 15(5): 209-219.

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