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

  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大范围的应用的结构材料。实现不锈钢结构件的增材制造将逐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。近日，中国核动力研究设计院核反应堆系统模块设计技术重点实验室杨青峰、高士鑫、陈平、廖楠、周毅、尹春雨、段振刚和尹泓卜等学者在《精密成形工程》期刊发表了最新综述“核电用316L不锈钢粉末增材制造研究现状”，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。杨青峰硕士为第一作者，陈平博士为通讯作者。

  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。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。核用不锈钢的增材制造技术还处于起始阶段，后续应着重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。

  随着我国核电事业的加快速度进行发展，部分核能设备的设计变得更精密复杂，这部分核能设备若采用传统制造工艺生产，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能轻松实现具有复杂精密结构设备的高效生产。

  增材制造（又称3D打印）技术是一种高效、清洁、近净成形的新型制造技术。其原理如下：首先将产品的三维设计模型分解成若干层平面切片，然后利用激光束、电子束等能量源将粉状或丝状的原材料进行逐层堆积，通过层层叠加最终形成拥有非常良好冶金结合的产品。近些年，增材制造技术已逐步从实验室规模向工业规模发展。

  不锈钢具备优良的耐氧化性能、力学性能和抗腐蚀和抗老化性能，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Fe-Cr-Al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料（Accident Tolerant Fuel,ATF）材料的主要研发方向之一。此外，不锈钢材料具备良好的焊接性能，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。

  与钛合金增材制造相比，目前关于耐事故不锈钢材料的增材制造研究明显较少，核电用不锈钢增材制造技术的研究是近些年来的研究热点之一。本文以核电用316L不锈钢为例，对不锈钢粉末增材制造的研究现状进行介绍，阐述了316L不锈钢粉末的制备工艺、增材制造成形工艺、增材制造316L不锈钢的组织性能以及辐照后成形件的性能，并对后续不锈钢增材制造的应用与研究提出了相关建议。

  增材制造用金属粉末的制备工艺主要有还原法、电解法、机械研磨法、雾化法等。其中，机械研磨法的生产效率较低，而还原法、电解法和雾化法的生产效率较高，因此后三者通常在工业生产中普遍应用，但是电解法和还原法仅适用于生产单质金属粉末，不适用于不锈钢等合金粉末的生产。目前，增材制造用316L不锈钢粉末的制备工艺主要为雾化法，优化雾化工艺可以控制粉末形状，改进雾化腔结构可以显著提高雾化效率。

  雾化法是一种直接使金属熔液破碎成小尺寸颗粒的制粉方法。目前雾化法主要有等离子体旋转电极法（Plasma Rotating Electrode Method）、等离子雾化法（Plasma Atomization）和气雾化法（Aerosolization）等，其中气雾化法又可分为电极感应熔炼气雾化法（Electrode Induction Melting Gas Atomization Method）、真空感应熔炼气雾化法（Vacuum Induction Melting Gas Atomization Method）、紧耦合雾化法（Tightly Coupled Atomization）和层流雾化法（Laminar Atomization）等。不同雾化工艺的特点如表1所示。

  粉末的物化性能受制粉方法和制粉工艺的影响，研究发现，真空感应熔炼气雾化法的制粉工艺参数对粉末化学成分均匀性、粉末粒径分布、松装密度、球形度等物化性能有着十分重要的影响，而且不同尺寸的粉末具有不同的微观组织形貌。粉末的形貌、粒度及分布、松装密度等物化性能对后续增材制造的成形性有着重要影响，粉末质量处理不好，不仅会影响增材制造的成形质量，甚至会造成打印过程无法连续进行，因此需要严格控制不锈钢粉末的粒度及分布、松装密度等物化性能。

  根据所用能量源的不同，核电用316L不锈钢粉末的增材制造工艺主要有激光增材制造、电子束增材制造和等离子束增材制造，粉末的供给方式主要有铺粉和同轴送粉2种。

  激光粉末床熔融增材制造技术。激光粉末床熔融增材制造（SLM）技术的工艺流程如下：铺粉机构首先在舱室的基板上均匀铺一层粉末，然后激光按照预先设定的路径施加能量，粉末吸收激光能量后发生熔化并凝固，完成该层扫描后，基板下降，铺粉机构继续铺粉，依次循环直至样件完成，激光粉末床熔融增材制造示意图如图1所示。通过研究激光粉末床熔融增材制造工艺参数对316L不锈钢试样的影响，发现随着扫描功率的增加，试样组织中的孔洞和裂纹等缺陷减少，而随着扫描速度和扫描间距的增加，试样的致密度有所降低，并通过优化SLM工艺参数，最终制得了致密度为95.62%的试样。采用激光粉末床熔融增材制造技术打印316L不锈钢，虽然成形效率较低（3.12 mm3/s），但样品的致密度可达99.3%～99.5%。除激光粉末床熔融增材制造的工艺参数外，扫描路径方式的选择也会对成形件的组织性能产生影响。通过研究S形正交和旋转分区2种激光扫描方式对激光粉末床熔融增材制造316L不锈钢组织和性能的影响，发现采用旋转分区方式进行扫描，样件的室温拉伸强度要高于S形正交扫描样件的室温拉伸强度。

  电子束选区熔化技术。电子束选区熔化技术与激光粉末床熔融增材制造技术非常相似，该工艺只是将成形能量源由激光换为电子束。另外与激光粉末床熔融增材制造技术相比，电子束选区熔化技术的成本明显降低，这主要是由于电子束选区熔化技术所使用的粉末粒径通常要大于激光粉末床熔融增材制造技术所使用的粉末粒径。通过研究电子束选区熔化技术的工艺参数对成形件表面粗糙度的影响，发现先采用低电子束功率扫描，再采用高电子束功率扫描，可显著改善成形件的表面粗糙度。除采用工艺实验来保障成形件质量外，还可采用理论计算与实验分析相结合的方法（如研究电子束成形过程中粉末的熔化机制）保障成形件的质量。

  基于同轴送粉的等离子增材制造技术。基于同轴送粉的等离子增材制造技术是将等离子束作为热源，相较于铺粉工艺，采用同轴送粉工艺可显著提高粉末的利用率，而且采用同轴送粉工艺可不受成形方向和零件复杂程度的限制，因此同时也提高了成形效率。通过研究等离子增材制造成形工艺参数对焊道尺寸的影响，发现电流参数对焊道宽度的影响大于送粉速度参数的影响，通过优化工艺，打印316L不锈钢的拉伸强度可达560 MPa，其性能明显高于铸件水平。

  以上3种增材制造技术的优缺点如表2所示，在这3种增材制造技术中，尤以激光粉末床熔融增材制造技术的应用最为广泛，因此后文关于增材制造316L不锈钢组织性能的研究主要集中于激光粉末床熔融增材制造316L不锈钢的组织性能。

  增材制造316L不锈钢的组织形貌与增材制造过程中的热量场分布状态密切相关，在3D打印过程中，熔池的冷却速率可达102～106 K/s，因此增材制造316L不锈钢的组织呈现典型的快速凝固特征。另外在3D打印过程中，当打印下一层材料时，上一层已沉积的材料会受到往复退火/回火处理，从而使增材制造成形件的组织呈现出“铸态+不完全热处理”复杂的组织特征。增材制造这些特有的成形过程恰好可实现组织优化的目标，使增材制造成形件拥有非常良好的力学性能。

  增材制造与轧制工艺。冷轧和激光粉末床熔融增材制造2种成形工艺制造的316L不锈钢组织如图2所示。可以看到，打印316L不锈钢的金相中有3D打印特有的层带结构，这是打印过程中许多微小熔池凝固后形成的。冷轧不锈钢的组织为细小的等轴晶，在SLM–316L不锈钢的组织中，在熔线附近分布着不同的亚晶结构（胞状和柱状）。通过对比激光粉末床熔融增材制造316L不锈钢和冷轧316L不锈钢的拉伸性能，发现与冷轧316L不锈钢相比，激光粉末床熔融增材制造316L不锈钢的抗拉强度和伸长率较低，但屈服强度较高。

  增材制造与锻造工艺。对激光粉末床熔融增材制造316L不锈钢分别进行去应力退火（SR）和热等静压处理（HIP），发现经去应力退火处理的3D打印316L不锈钢试样的微观结构具有各向异性。316L不锈钢背散射电子图如图3所示。可知，在x–y平面内为等轴晶，在y–z平面内为柱状晶，亚晶粒沿打印高度方向明显变长，3D打印316L不锈钢经热等静压处理后晶粒发生长大，晶粒尺寸增加，而且经热等静压处理后的3D打印316L不锈钢试样的组织形貌与锻造316L不锈钢的非常相似。拉伸结果表明，经去应力退火处理的3D打印316L不锈钢试样的拉伸性能存在各向异性，与打印高度方向相比，沿垂直于打印高度方向具有更高的屈服应力和极限拉伸应力，但在该方向上的伸长率较低。经热等静压处理后的3D打印316L不锈钢试样的屈服应力和极限拉伸应力略高于锻造316L的，但两者的伸长率相当。

  腐蚀性能。通过电化学实验对比研究了SLM成形316L不锈钢和锻造不锈钢的耐腐蚀性能，结果表明，与锻造不锈钢相比，SLM打印316L不锈钢具有更好的耐点蚀性能。对去应力退火的SLM打印316不锈钢和锻造316L不锈钢开展了应力腐蚀开裂实验，发现去应力退火的SLM打印316不锈钢的应力腐蚀具有各向异性。在氧化性水中，SLM打印316不锈钢沿打印高度方向的裂纹扩展速率远高于垂直于打印高度方向和锻造316L不锈钢的裂纹扩展速率。在还原性水中，所有试样的应力腐蚀开裂速率显著降低，但SLM打印316不锈钢沿打印高度方向的裂纹扩展速率仍稍高于垂直于打印高度方向和锻造316L不锈钢的裂纹扩展速率。

  增材制造后处理工艺的影响。通过研究不同热处理工艺对激光粉末床熔融增材制造316L不锈钢组织与性能的影响，发现对激光粉末床熔融增材制造316L不锈钢进行去应力退火后，其胞状亚结构未发生明显变化，但对激光粉末床熔融增材制造316L不锈钢进行完全退火处理和热等静压处理后，激光粉末床熔融增材制造316L不锈钢中的胞状亚结构消失，其疲劳强度出现了明显降低，但其塑性得到了改善。即使采用同一类型的热处理工艺，当热处理温度不同时，激光粉末床熔融增材制造316L不锈钢的组织与性能也会存在不同。研究之后发现，在未经热处理的激光粉末床熔融增材制造316L不锈钢中存在较多的亚晶结构，随着热处理温度的升高，亚晶结构逐渐消失，大角度晶界比例增加，并且随着热处理温度的升高，激光粉末床熔融增材制造316L不锈钢的硬度有所下降

  中子辐照。目前国内外对增材制造316L不锈钢的辐照性能已展开了相关研究，但更多的研究主要集中于增材制造316L不锈钢离子辐照性能，其中关于中子辐照性能的研究较少。美国西屋公司于2019年对增材制造316L不锈钢中子辐照后（约1 dpa）的拉伸性能进行了检测，发现中子辐照后，增材制造316L不锈钢的拉伸强度和屈服强度有所增加，而伸长率有轻微的降低。

  质子辐照。针对去应力退火的选区激光熔化成形316L不锈钢试样（以SR–SLM–316L表示），研究了质子辐照（360℃，2.5 dpa）后SR–SLM–316L不锈钢的微观组织以及辐照诱导应力腐蚀断裂（IASCC）现象。发现质子辐照后，在SR–SLM–316L不锈钢试样中发生了明显的回复和再结晶现象，并观察到了辐照诱导产生的气孔、位错环和γ′相。相较于热等静压处理的选区激光熔化成形316L不锈钢试样（以HIP–SLM–316L表示），SR–SLM–316L不锈钢中位错环密度更高。与锻造316L不锈钢相比，辐照后打印316L不锈钢（SR–SLM–316L和HIP–SLM–316L）中位错环密度更高、尺寸更小。辐照后，SR–SLM–316L试样的应力腐蚀开裂具有各向异性，沿平行于打印高度方向具有较低的敏感性。与锻造316L不锈钢相比，HIP–SLM–316L具有更好的抗肿胀性能和高抗辐照诱导应力腐蚀断裂性能。

  氦离子辐照。通过氦离子对选区激光熔化成形316L不锈钢进行辐照，研究不同辐照温度对选区激光熔化成形316L不锈钢组织与辐照硬化行为的影响。可以发现，辐照后在激光熔化成形316L不锈钢中出现的微观缺陷主要是氦泡和位错环，两者的数密度均随着温度的升高而降低，而两者的尺寸均随着温度的升高而逐渐增大，但相比之下，氦泡的温度敏感性要略高于位错环的。此外，SLM成形316L不锈钢的辐照硬化随温度的升高而降低，氦泡对SLM成形316L不锈钢的辐照硬化起到的贡献要大于位错环的贡献。随着辐照剂量的增加，SLM打印316L不锈钢中的氦泡尺寸也随之增大，但与传统316L不锈钢相比，SLM打印316L不锈钢中的氦泡密度和肿胀率均比较小。辐照后在SLM打印316L不锈钢和传统工艺制备的316L不锈钢中均出现了辐照硬化现象，但与传统工艺制备的316L不锈钢相比，SLM打印316L不锈钢辐照硬化的程度更低。

  通过以上研究发现增材制造316L不锈钢的晶粒尺寸较细小，且与传统锻造不锈钢相比，增材制造316L不锈钢具有更好的耐点蚀性能。但增材制造316L不锈钢的组织形貌在打印高度方向和打印水平方向存在明显的不均匀性，在打印水平方向上，选区激光熔化成形316L不锈钢具有等轴晶，而在打印高度方向上晶粒有所拉长，组织上的差异导致其在不同方向上的性能存在各向异性。各向异性在核电应用上是不利的，但可通过增材制造的后处理技术进行消除。目前增材制造最为常用的后处理技术为热处理，特别是热等静压处理。经热等静压处理的增材制造316L不锈钢的组织和锻造不锈钢的组织相似，与锻造316L不锈钢相比，其屈服强度和极限拉伸应力更高、抗肿胀性能和抗辐照诱导应力腐蚀断裂性能更好，而二者伸长率较为接近。

  经过辐照后，增材制造316L不锈钢出现辐照硬化现象，其拉伸强度和屈服强度有所增加，而伸长率下降，但与传统工艺制备的316L不锈钢相比，增材制造316L不锈钢辐照硬化的程度较低。经过氦离子辐照后，增材制造316L不锈钢中出现的辐照缺陷主要是氦泡和位错环，与传统工艺制备的316L不锈钢相比，增材制造316L不锈钢中的氦泡密度和肿胀率均较小。对于增材制造316L不锈钢，不同的增材制造后处理工艺导致其辐照后缺陷有所不同，质子辐照后，相较于热等静压处理的选区激光熔化成形316L不锈钢，去应力退火的选区激光熔化成形316L不锈钢中位错环密度更高，且其应力腐蚀开裂具有各向异性。

  对于核电用316L不锈钢的指标要求，需要考虑不锈钢特殊的使用环境，特别是对于直接工作在核反应堆芯内的不锈钢，如核燃料组件用不锈钢，因为服役环境的限制，不锈钢需要耐腐蚀、耐疲劳、耐辐照蠕变，同时不会因辐照产生过多的放射性材料。

  在不锈钢的化学成分中，对部分元素有特别要求。下文介绍了部分元素在核电领域的要求。

  钴（Co）元素。Co的质量分数应控制≤0.12%，且越低越好。因为钴元素在核反应堆芯辐照后，可能产生放射性同位素钴（60Co），其半衰期长达5.27年，在核电站维修、燃料后处理阶段会对操作人员造成伤害。

  碳（C）元素：C的质量分数应控制≤0.035%。碳元素在奥氏体不锈钢中的溶解度为0.02%～0.03%，超过此范围后，多余的碳会在晶界形成碳化铬沉淀，使晶界附近形成“贫铬区”。若在后续的加工处理过程中不加以控制，易产生局部腐蚀，从而影响构件的耐腐蚀性能。

  铬（Cr）元素：Cr的质量分数应控制在18.50%～20.00%。当钢中Cr的原子数分数不低于12.5%时，可有效阻止电化学腐蚀的发生。另外考虑到构件的塑性及抗辐照蠕变要求，应严格控制铬元素含量在一定范围内。

  在前文中提到，核用不锈钢除在拉伸、冲击等常规力学性能方面有相应要求外，一般还要求其耐腐蚀、耐疲劳、耐辐照蠕变，且力学性能指标一般比国标中规定的指标要高。例如，在GB/T 3280中要求不锈钢的屈服强度要不小于180 MPa，在核电领域对部分不锈钢要求屈服强度要不小于210 MPa。打印态SLM–316L的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率分别为409～680 MPa、509～773 MPa、12%～87%，根据核电对部分不锈钢的性能要求（屈服强度、抗拉强度、断后伸长率分别为210 MPa、485 MPa、40%)，可以发现SLM打印316L不锈钢的性能可以满足核电需求。

  在SLM打印316L不锈钢过程中，由于熔池中的温度梯度较大，最后凝固形成的晶粒尺寸较小。根据Hall–Petch公式，晶粒尺寸越小，材料的屈服强度越高。关于SLM打印316L不锈钢高强高韧化机理，目前的观点主要有凝固后形成的胞结构、高位错密度、位错网络结构、011织构诱导的TWIP效应、纳米氧化物颗粒、晶体层片状结构及非均匀层级结构。SLM制备的高强高韧化316L不锈钢构件对不锈钢在核电领域的应用是有利的。

  在SLM打印过程中，在打印下一层316L不锈钢粉末时，已经凝固的316L不锈钢会受到热的作用，也就是说，在打印过程中，316L材料经历了复杂的热处理过程，导致打印316L不锈钢中通常存在较大的残余应力，这对316L不锈钢在核电领域的应用是不利的。因此，一般打印316L不锈钢需要进行打印后热处理，以消除打印构件的残余应力。

  在SLM打印316L不锈钢构件组织中，通常会存在一些气孔、未熔合及裂纹等缺陷。孔洞的形成主要与制粉工艺、粉末的铺粉密度及粉末本身的特征有关，产生未熔合缺陷主要是由于输入到粉末床的能量不足，产生裂纹主要是因为熔池内部具有较高的温度梯度和凝固速率，从而导致成形件的内应力较大。以上这些缺陷的存在会降低打印316L不锈钢的力学性能和耐腐蚀性能。在核电堆芯应用的结构件绝大多数都需要进行无损检测，不允许有超过标准伤当量的缺陷存在。

  一些研究认为Cr和Mo元素会在SLM打印316L不锈钢胞结构的胞壁上形成微观偏析，而溶质分布和微观结构的不均匀性会降低材料的耐蚀性。但也有一些学者认为SLM打印316L不锈钢在凝固过程中具有极高的冷却速度，使得成形件中不含Mn S夹杂物，也不会形成贫Cr区，可以抑制点蚀形核位点的形成。因此，关于SLM打印316L不锈钢的耐蚀性能还有待进一步研究。

  2015年，法马通公司在德国埃尔兰根实验室启动增材制造项目，该项目重点在于使用增材制造技术制造不锈钢和镍基合金燃料组件，这批不锈钢和镍基合金部件于2019年进入戈斯根核电厂反应堆进行辐照考验，并于2020年11月完成了反应堆的首个辐照检测周期。

  2016年，中国广核集团有限公司利用激光粉末床熔融增材制造技术打印316L不锈钢，制造了核电站复杂流道仪表阀多通道阀体（尺寸为140 mm×76 mm×56 mm）。打印的阀体没有发现表面缺陷，表面粗糙度为3.2μm。经测试，其化学成分和基本力学性能均满足国际核电标准RCC–M要求。

  2019年，美国橡树岭国家实验室牵头实施“转型挑战反应堆”（TCR）建设计划，于2023年建成一座微型反应堆。TCR的制造方法之一就是对金属（316L和Inconel 718）零件使用激光粉末床熔融增材制造。

  2020年5月4日，西屋电气公司在伊利诺伊州的Exelon Byron 1号反应堆内安装了3D打印阻流塞装置，如图4所示，该阻流塞装置由粉末床熔融金属3D打印316L不锈钢和304不锈钢材料通过激光热丝焊接技术连接而成，这也是全球首个安装到商业核反应堆的3D打印燃料结构件。

  目前，关于核用316L不锈钢增材制造技术的研究尚处于起步阶段，距离工业化、大批量的生产还存在很大距离。为此，后续针对核用316L不锈钢增材制造的应用研究，应重点关注以下3个方面。

  1）研究增材制造成形过程中不锈钢与热源之间的作用机理。研究增材制造过程中热源（如激光、电子束、等离子束等）与不锈钢粉末的相互影响机制，探索不同成形工艺与成形件组织性能的关系，建立粉末材料、成形工艺、组织性能之间的数据库，以实现在设计阶段可对成形件组织性能进行预测及优化的目标。

  2）探索合适的增材制造后处理工艺以改善打印件的组织性能。大量文献数据已表明，对于增材制造316L不锈钢，其性能存在各向异性，不同的增材制造后处理工艺对打印件的组织性能会产生不同影响，因此就需要根据实际应用环境需求，探索合适的增材制造后处理工艺。

  3）系统全面评价增材制造316L不锈钢中子辐照后的性能。目前关于增材制造316L不锈钢组织性能的研究更多集中于辐照前的组织性能。对于中子辐照后其组织性能的变化研究相对较少，目前仅获得了其辐照后的拉伸性能，这是远不能满足增材制造不锈钢在核电领域应用需求的，需要系统全面评价其中子辐照后的性能（如热物性能、力学性能、腐蚀性能、焊接性能等）。

  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作的完整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。

  [1] 杨青峰,高士鑫,陈平,廖楠,周毅,尹春雨,段振刚,尹泓卜.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(05):209-219.