3D打印高強韌低活化鋼研究取得新進展

來源：材料人

低活化鐵素體/馬氏體（RAFM，F(xiàn)e-Cr-C-W-Mn-Ta-V）鋼在強輻照下具有固有的幾何穩(wěn)定性、較低的輻照腫脹和熱膨脹系數(shù)、高熱導率等優(yōu)良的熱物理特性，并且其低活化成分適于商業(yè)化生產(chǎn)，被認為是聚變堆的首選結構材料。目前，世界各國均在發(fā)展各自知識產(chǎn)權的RAFM鋼，如日本的F82H、歐洲的EUROFER97、美國的9Cr-2WVTa以及中國科學院等離子體物理研究所研發(fā)的CLAM與核工業(yè)西南物理研究院和中國科學院金屬研究所聯(lián)合開發(fā)的CLF系列低活化鋼。雖然RAFM鋼材料的研發(fā)已日趨成熟，但是以RAFM鋼作為結構材料的第一壁結構件的加工制造仍是難點問題。第一壁的結構復雜而精密，采用傳統(tǒng)制造方法，需要經(jīng)過多道加工工序，面臨流程繁瑣、耗材耗時、成本高、缺陷不可控等問題。

增材制造（亦稱3D打印）技術具有無需模具、制造周期短、材料利用率高、近凈成型、可制備任意形狀等優(yōu)勢，有望解決傳統(tǒng)制造方法的短板問題，實現(xiàn)聚變堆第一壁復雜結構件的一體化成型。此前，相關研究已證實選區(qū)激光熔化（SLM）技術制造聚變堆第一壁復雜結構件的可行性，但是SLM成形RAFM鋼的強度高于傳統(tǒng)方法制備的RAFM鋼，但其塑性差（低于5%）。整體趨勢上，RAFM鋼的強度和塑性呈現(xiàn)倒置關系，強度越高，塑性下降越明顯，未來工作迫切需要同時提高合金強度和塑性，以滿足核聚變的服役工況對力學性能的基本要求。

圖1.SLM成形CLF-1鋼的微觀組織與織構

(a, j) 金相顯微組織；(b, f, k, o) EBSD IPF圖；(c, g, l, p) SEM圖；(d, e, m, n) TEM明場像；(h, q) 極圖；(i, r) 反極圖

針對SLM成形RAFM鋼高強度與低塑性不匹配問題，深圳大學增材制造研究所勞長石和陳張偉研究團隊圍繞CLF-1鋼的SLM工藝及其組織性能調(diào)控開展了系統(tǒng)工作，首次將非均質雙/多模組織設計思路引入到SLM成形高強韌RAFM鋼的開發(fā)，基于SLM工藝參數(shù)和掃描策略的優(yōu)化，SLM成形CLF-1鋼兼具高強度（屈服強度1053 MPa）與高塑性（延伸率16.9%），其綜合強韌性顯著優(yōu)于目前文獻報道的RAFM鋼。通過對比研究S209和S98的微觀組織和力學性能，揭示了SLM成形CLF-1鋼的強韌化機理，其高強度取決于細晶和細小馬氏體片層，高塑性得益于這種雙/多模組織對位錯主導的加工硬化能力的改善。該工作為3D打印高強韌RAFM鋼的結構設計提供重要理論依據(jù)和技術指導，促進聚變堆關鍵部件組織性能可控的一體化成型。相關研究成果發(fā)表于國際知名學術期刊Materials Research Letters (IF:7.440)。

圖2.SLM成形高強韌CLF-1鋼的室溫拉伸性能及其與目前你文獻報道性能的對比結果