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文章来源: 材料科学与工程       发布时间:2019-06-11

6月11日,记者了解到,中国科学院合肥物质科学研究院核能安全技术研究所在3D打印中国抗中子辐照钢(简称“CLAM钢”)研究方面取得新进展。研究人员采用热等静压结合调质热处理方法,解决了3D打印材料中存在的微缺陷及各向异性问题,获得了高强韧性的3D打印CLAM钢,相关成果发表在国际期刊Journal of Nuclear Materials上。

中科院获取高强韧性3D打印CLAM钢 实现材料强韧性良好匹配

毯子是聚变反应堆的关键能量转换元件,它设计了大量复杂的嵌入式冷却通道,以消除高核热沉积。由于内部通道结构复杂,毯子组件的制造一直是毯子技术发展的关键问题之一。本研究采用选择性激光熔炼(slm)添加剂制造(am)工艺,以中国低活化马氏体钢为原料,制备了小型试验毯模块。并采用热等静压(髋部),改善了微结构和力学性能.研究和评价了单壳壳壳在建成后的微观结构和力学性能、标准热处理(sht)和船载状态。结果表明,与热轧蛤蜊钢相比,在刚成型状态下的相对密度达到99.7%。施工状态的抗拉强度分别为966.2 mpa和829.1 mpa,分别垂直方向和平行方向。在不同的方向上,不同的方向上的微结构取向和强度差异减小。与建筑方向垂直平行的强度值与热轧蛤蜊钢的强度值基本一致。此外,建筑方向垂直平行的撞击吸收的能量在建成后状态下从21.02j增加到9.18j,在Hip&sht状态下分别增加到54.48j和18.83j。同时,在髋关节的帮助下,微缺陷显著减少。研究结果表明,髋关节脱位迁移和再结晶能有效改善单钢的组织和力学性能。


3D打印技术在制备小型化复杂构件方面具有独特优势。CLAM钢是核能安全所团队牵头研发的具有自主知识产权的中国抗中子辐照钢,可用于聚变堆、聚变裂变混合堆和裂变铅基堆等先进核能系统。此前,核能安全所团队已利用选区激光熔化技术实现了CLAM钢聚变堆包层第一壁样件的3D打印。但由于3D打印具有层积成型的特点,成型后的材料存在力学性能各向异性以及较多微缺陷,强韧性是性能短板,可对材料的服役安全性产生严重影响。


为解决这一问题,研究人员采用热等静压(HIP)结合调质热处理方法对3D打印的CLAM钢进行处理。结果表明,在HIP的1150℃高温及150MPa高压作用下,实现了3D打印材料各向异性的消除,以及熔合不良等微缺陷的塑性变形弥合。同时,结合调质热处理获得了回火马氏体组织,实现了材料强度和韧性的良好匹配。研究结果为3D打印高性能部件提供了重要的材料支撑和技术保障。该研究得到国家重点基础研究发展计划、中科院百人计划、国家自然科学基金和安徽省自然科学基金等的资助。

中科院获取高强韧性3D打印CLAM钢 实现材料强韧性良好匹配

中科院获取高强韧性3D打印CLAM钢 实现材料强韧性良好匹配

3D打印CLAM钢在不同方向拉伸性能及HIP与调质处理前后组织TEM图像


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