本發明涉及一種低活化馬氏體鋼選區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核能系統復雜結構部件的快速成型。

背景技術：

增材制造(即3D打印)是近年來興起并迅速發展的新興快速精密加工制造技術，已在航空航天領域得到廣泛應用；該技術可以加工傳統方法難以制造的零件，具有復雜結構部件成型精度高、生產效率高以及部件一體成型效果好等優點。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的關鍵。聚變堆采用低活化馬氏體鋼作為結構材料，低活化馬氏體鋼具有優良的熱物理性能、抗輻照腫脹性能、抗液態金屬腐蝕性能等，已被選為聚變堆包層的主要結構材料，也是未來聚變工程示范堆包層的主要候選結構材料；同時，低活化馬氏體鋼也是鉛基堆燃料組件等先進核能系統關鍵部件的主要候選結構材料。聚變堆包層及鉛基堆燃料組件等先進核能系統關鍵部件服役條件嚴苛，需承受強中子輻照、高表面熱流、高核熱沉積、高壓及復雜機械載荷等，且這些關鍵部件結構復雜，對部件的成型質量及成型精度提出了較高的要求。

聚變堆包層等先進核能系統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雜流道布置。目前，先進核能系統復雜結構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較小的高能束(如電子束、激光)等焊接方法結合特殊成型工藝(如專利：CN201110250136.4)等；同時，為進一步提高復雜部件的整體成型性能，也采用特種焊接方法(如熱等靜壓擴散焊接、電子束、激光等)的復合焊接技術(如專利：CN200810021143.5)，但因焊縫密集，導致焊接難度較高且焊縫易出現裂紋，此外，焊接過程復雜的熱輸入導致部件變形較大，成型難度高且后期矯形困難，部件的制備周期長、成本高。

3D打印可一次成型復雜結構的部件，部件變形小，近凈成型，無需后續加工處理等，適合具有復雜結構的部件的成型；將3D打印快速成型的精密加工技術運用于聚變堆包層等先進核能系統復雜結構部件的制備，具有廣闊的發展和應用前景，需開展聚變堆特殊結構材料的復雜部件快速成型工藝的研究。

技術實現要素：

本發明需要解決的技術問題：克服現有復雜結構部件焊接加工難度高、焊接變形大、焊后易出現裂紋等關鍵問題，提供一種低活化馬氏體鋼選區激光熔化增材制造工藝，以解決先進核能系統復雜結構部件低活化馬氏體鋼3D打印快速成型的難題。本發明優選選區激光熔化工藝進行聚變堆包層等先進核能系統關鍵復雜結構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量好的優點。

本發明的技術解決方案如下：一種低活化馬氏體鋼選區激光熔化增材制造工藝，實現步驟如下：

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

(2)對要成型的復雜結構部件進行圖形計算機描述，將要成形的復雜結構部件三維圖紙輸入控制計算機中，主要包括三維模型的構造，根據是否需要添加支撐等選擇成型方向，據部件的大小選擇分層切片的厚度與層數，截面輪廓線的提取和填充等，設定切片厚度及總分層數量等；

(3)設定選區激光熔化工藝，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，粉末預熱150-300℃，成型速度5-20cm³/h，成型室內氬氣保護且壓力維持在10-20mbar；

(4)粉末配比，細粉(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，通過送粉機構在基板上均勻鋪設一層厚度為0.2-1mm的低活化馬氏體(CLAM)鋼粉末，采用激光束按照計算機圖形切片形狀對粉末進行快速成型，后續依次進行鋪粉并激光束熔化快速成型，直至復雜結構部件完成成型；

(6)部件制造完畢后在300-400℃下保溫48小時以上，最后對成型部件進行熱處理，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，以減小殘余應力，提高成型部件的整體性能；

本發明與現有技術相比的優點：

(1)本發明對復雜結構部件可一次近凈成型，尺寸精度可達+0.5mm以內，表面質量較高，一般無需后續機加工處理；

(2)復雜結構部件成型并經過熱處理后材料的顯微組織與力學性能具有各向同性且均勻化；

(3)成型在氬氣保護環境中進行，成型零件氧元素含量(低于100ppm)符合標準，避免了材料氧化，部件成型質量高，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(可達到約80cm³/h)等。

附圖說明

圖1為中國液態DFLL包層第一壁部件；

圖2為中國液態DFLL包層冷卻板部件；

圖3為中國鉛基堆燃料組件包殼管上下管座部件。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施例詳細介紹本發明。但以下的實施例僅限于解釋本發明，本發明的保護范圍應包括權利要求的全部內容，不僅僅限于本實施例。

實施例1，以聚變堆中國液態DFLL包層第一壁部件快速成型為例，如圖1所示，結構材料為中國低活化馬氏體(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混合后裝入送粉機構中，粉末預熱300℃；

(2)選區激光熔化設備抽真空，待真空度達到10^-3Pa量級后向真空室充入高純Ar₂，待真空度達到1MPa后，再次抽真空并充入高純Ar₂，如此反復洗爐2次以上；

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

(4)將快速成型的部件的STL格式圖紙輸入計算機中，進行計算機輔助圖形處理；根據部件的尺寸大小：長*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，總分層數為4120層；

(5)選區激光熔化工藝：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，粉末預熱300℃，成型室內氬氣保護，氬氣壓力17mbar，在整個成型過程中確保成型室內溫度在350℃左右；

(6)激光束在計算機的控制下按照截面輪廓的信息進行有選擇的燒結，金屬粉末在激光束的轟擊下被燒結在一起，并與下面已成型的部分粘結，待第一層粉末熔化后，通過送粉機構鋪設第二層粉末，粉末厚度均勻且與第一層厚度相同，如此層層堆積，直至整個零件全部燒結完成；

(7)部件燒結完成后，在成型室內350℃環境中保溫72小時以防止部件產生裂紋，保溫結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；部件取出后進行真空熱處理，以減小部件成型過程中的殘余應力，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)經計算與測量，第一壁部件的成型速度為50cm³/h，成型精度達到+0.3mm，金相觀察組織均勻，無氣孔、裂紋及未熔顆粒等缺陷。

實施例2：以聚變堆中國液態DFLL包層冷卻板部件快速成型為例，如圖2所示，結構材料為中國低活化馬氏體(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混合后裝入送粉機構中，粉末預熱250℃；

(2)選區激光熔化設備抽真空，待真空度達到10^-3Pa量級后向真空室充入高純Ar₂，待真空度達到1MPa后，再次抽真空并充入高純Ar₂，如此反復洗爐2次以上；

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

(4)將快速成型的部件的STL格式圖紙輸入計算機中，進行計算機輔助圖形處理；根據部件的尺寸大小：長*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，總分層數為40層；

(5)選區激光熔化工藝：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，粉末預熱250℃，成型室內氬氣保護，氬氣壓力13mbar，在整個成型過程中確保成型室內溫度在300℃左右；

(6)激光束在計算機的控制下按照截面輪廓的信息進行有選擇的燒結，金屬粉末在激光束的轟擊下被燒結在一起，并與下面已成型的部分粘結，待第一層粉末熔化后，通過送粉機構鋪設第二層粉末，粉末厚度均勻且與第一層厚度相同，如此層層堆積，直至整個零件全部燒結完成；

(7)部件燒結完成后，在成型室內300℃環境中保溫60小時以防止部件產生裂紋，保溫結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；部件取出后進行真空熱處理，以減小部件成型過程中的殘余應力，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)經計算與測量，冷卻板部件的成型速度約為60cm³/h，成型精度達到+0.4mm，金相觀察組織均勻，未發現氣孔、裂紋及未熔顆粒等缺陷。

實施例3：以中國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，結構材料為中國低活化馬氏體鋼；

(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混合后裝入送粉機構中，粉末預熱250℃；

(2)選區激光熔化設備抽真空，待真空度達到10^-3Pa量級后向真空室充入高純Ar₂，待真空度達到1MPa后，再次抽真空并充入高純Ar₂，如此反復洗爐2次以上；

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

(4)將快速成型的部件的STL格式圖紙輸入計算機中，進行計算機輔助圖形處理；根據部件的尺寸大小：長*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，總分層數為80層；

(5)選區激光熔化工藝：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，粉末預熱250℃，成型室內氬氣保護，氬氣壓力15mbar，在整個成型過程中確保成型室內溫度在350℃左右；

(6)激光束在計算機的控制下按照截面輪廓的信息進行有選擇的燒結，金屬粉末在激光束的轟擊下被燒結在一起，并與下面已成型的部分粘結，待第一層粉末熔化后，通過送粉機構鋪設第二層粉末，粉末厚度均勻且與第一層厚度相同，如此層層堆積，直至整個零件全部燒結完成；

(7)部件燒結完成后，在成型室內350℃環境中保溫48小時以防止部件產生裂紋，保溫結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；部件取出后進行真空熱處理，以減小部件成型過程中的殘余應力，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)經計算與測量，該管座部件的成型速度為75cm³/h，成型精度達到+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，按照本發明上述各實施例，本領域技術人員是完全可以實現本發明權利要求1及從屬權利的全部范圍的，實現過程及方法同上述各實施例；且本發明未詳細闡述部分屬于本領域公知技術。

以上所述，僅為本發明部分具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本領域的人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。