核燃料零部件的金属增材制造技术研发

邓 话,秦国鹏

(中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜宾 644000)

金属增材制造，又称3D打印或快速原型制造技术，它是一系列快速成形制造技术的总称。与传统的工艺模式不同，增材制造技术集“概念设计”“技术验证”与“生产制造”于一体。可极大缩小产品从“概念”到“定形”的时间差，从而加快产品的更新周期[1]。除了能够提升核燃料元件零部件研制速度外，还能大幅降低制造成本。传统的核燃料零件制造主要是做“减”法，原材料通过切割、切削等工序，材料逐渐减少而形成零件。这一过程中，将有50%以上的原材料被浪费。与传统工艺不同，3D打印技术做的是“加”法，通过层层增加材料的方法“打印”出产品。由于是按需取材，整个过程中几乎没有任何浪费。增材制造技术可以改变原有产品的概念设计、技术验证、降低试制成本、缩短生产周期等。

因此，开展核燃料元件零部件金属增材制造技术工艺研究可以弥补我公司当前核燃料元件新产品制造保障能力不足的现状，同时提升研发效率、降低制造成本，提高核燃料元件时效性与精度。此外研究新制造工艺技术还可以有效提升技术及专利储备，合理规避出口产品知识产权壁垒风险。

1 核燃料金属增材制造技术的发展趋势

由于精密金属3D打印设备成本高，打印加工时间相对于传统机加工方法要长很多。综合考虑生产效率及制造成本，核燃料金属3D打印技术比较适合于华龙一号等核燃料组件中结构复杂且采用传统机加方法很难或加工周期很长的关键零部件，如空间曲面过滤结构管座、控制棒组件整体连接柄等。

目前核燃料金属增材制造的发展趋势有以下几种方向：

1)不同熔化热源的发展：分激光热源、电子束热源、电弧热源方向。

2)不同制造阶段的发展：分粉末制造、设备制造、后处理技术方向。

3)不同成型方式的发展：分铺粉选取熔化、同轴送粉熔化、加丝熔化方向。

4)不同工艺融合的发展：分3D打印与焊接融合，3D打印与切割融合，3D打印与热处理融合，多热源协调作业等方向。

其中最成熟且应用最广泛的金属增材制造技术有：激光选取熔化、激光同轴送粉、电子束选取熔化技术这三种。

2 核燃料零部件的金属增材制造研究进展

中核建中核燃料元件有限公司于2016年正式开展核燃料元件零件增材制造工艺技术研究工作，选择激光选区熔化技术(Selective Laser Melting，SLM)[2]作为研究方向。由于核燃料不锈钢零件的结构特殊性，3D打印后的零件一般还需要经过焊接、热处理、精整加工等一系列后处理，与采用锻件加工的其他零件一起，才能共同组成完整的核燃料部件。而金属增材制造的打印件，是由金属粉末熔合形成的，组织结构上更接近与铸件，与锻件相比在成分、性能、加工精度上肯定存在一定的差异。这种差异如果不加以研究控制，将使3D打印零件成为核燃料整体结构中的薄弱环节，直接影响核电产品的可靠性。

因此3D打印产业化应用中必须考虑打印件与传统的锻件加工零件混合使用的情况，需要通过大量的技术研究来减少两者的差异，使其满足产业化应用的工艺控制要求。

2.1 产业化研究结构

研究分为以下三个阶段进行。

第一阶段：初步研究粉末材料、设备、工艺参数、后处理等影响金属3D打印工艺的关键因素，找到应用可行性及深入研究方向。

第二阶段：评估粉末材料、设备、工艺参数、后处理等影响金属3D打印工艺的关键因素，并针对性开展深入研究。

第三阶段：研究量产工艺对粉末材料、设备、工艺参数、后处理等因素的要求；完成正式产品样品的3D打印。

2.2 研究关键技术

核燃料零部件加工技术属于精密加工范畴。核燃料直接工作于核反应堆芯辐照区内，因为其工作环境限制，其零件必需耐腐蚀、耐辐照蠕变、耐疲劳应变；同时还要求核燃料不会因辐照产生过多的放射性材料，影响堆内维修及乏燃料后处理。此外，考虑到零件的加工经济性，打印材料还必须拥有较好的加工性能。因此，核燃料零部件的金属增材制造技术研究的关键技术大致可分为材料化学成分控制、材料力学加工性能控制、打印件尺寸精度控制。

2.2.1 SLM打印件的化学成分

SLM打印件采用金属粉末作为基本原材料，金属粉末经过激光烧结后形成打印工件，其化学成分的控制必须考虑粉末、打印件2个阶段。以核燃料管座用低钴奥氏体不锈钢022Cr21Ni10为例，其成分中典型化学元素的作用为：

钴元素(Co)：含量应控制≤0.12%，且越低越好。因钴元素在核反应堆芯辐照后，可能产生放射性同位素钴-60(60Co)[3]，成为半衰期长达5.27年的放射源，会通过衰变放出β和γ射线，在核电站维修、换料、燃料后处理阶段对操作人员的身体造成较严重的伤害。

碳元素(C)：含量应控制≤0.035%。碳元素在奥氏体不锈钢中的溶解度约为0.02%～0.03%[4]，超过此范围后多余的碳就会不断向奥氏体边界扩散，在晶间形成碳化铬化合物沉淀，使晶界附近形成“贫铬区”。如果在后续的焊接、加工、热处理过程中不加以控制和处理，易因敏化作用产生局部腐蚀，最终影响核燃料零件的耐腐蚀性能。

铬元素(Cr)：含量应控制18.50%～20.00%。一般情况下，当钢中的Cr原子数不低于12.5%时，可以使钢中的电极电位发生突变，由负电位升到正的电极电位，从而阻止电化学腐蚀的发生[5]。考虑到核燃料零件的塑性及抗辐照蠕变性能要求，应综合控制铬元素含量在适当的比例范围内。

S、P等微量元素：S、P等微量元素关系到液态熔敷金属的粘滞系数以及金属材料焊接熔池形成时的表面张力状态，进而会影响到熔池表面的Marangoni对流形式[6]，造成焊缝成型系数的变化。

表1所示为研究得到的核燃料不锈钢零部件打印前后化学成分对比表。从表中可以看出打印前后的金属粉末、3D打印件、传统锻件材料的化学成分基本保持一致，可以满足产业化制造需求。

表1 激光打印核燃料不锈钢零件化学成分对比表Table 1 Chemical composition comparison table of the fuel parts for SLM

2.2.2 打印件的力学性能

力学性能包括材料的强度、韧性、塑性、冲击韧度、晶粒度等指标，直接关系着核燃料零件的耐用性、可靠性及功能完整性。由于3D打印件基本属于铸态组织，与锻压成型的锻件存在较大的差异。如果不经过特殊的技术处理，不锈钢打印件会呈现出硬度强度高，但塑性差的缺点，主要表现特征为材料易脆断、伸长率较差。表2所示为研究前期初步得到的低钴奥氏体不锈钢SLM打印试样力学性能指标。总体来说试样较脆，材料指标与技术要求存在很大差距。结合微观组织图片，分析说明打印试样内部缺陷较多，质量不稳定。

试样1：材料韧性不稳定，部分试样存在脆断现象，伸长率测不出来。

试样2：全部指标均不合格，横断面布满未熔合及裂纹，呈层状分布。

表2 初步不锈钢3D打印试性能对比表Table 2 Preliminary comparison table of 3D printing performance of stainless steel

在上述研究基础上，对3D打印制造工艺参数进行改进研究，试制出的SLM打印试样的主要理化检验结果见表3。从结果可以看出，随批试样的各项性能指标已经很接近核燃料零件锻件采购技术要求，经过粉末及工艺改进后的产品质量明显优于之前的试验试样。

表3 再次试制产品主要性能对比表Table 3 Comparison table of main performance of trial produced products again

研究发现，单纯对SLM打印工艺参数的研究可以改善材料力学性能但不能完全解决上述问题。所以后续又开展了对金属粉末制备工艺的研究，意图通过改善粉末的性能指标来影响打印件的综合力学性能。通过一系列的研究工作，从制粉型材、制备工艺、粉末质量控制、粉末回收质量控制等角度，最终找到了的提升打印件力学性能的方法。研究得到的最终打印产品的力学性能试验对比见表4所示。从表中可以看出激光3D打印核燃料零件试样力学性能与传统锻件零件的指标基本保持一致，可以满足产业化制造需求。

表4 管座及连接柄用022Cr21Ni10力学性能指标Table 4 Mechanical property index of 022 cr21Ni10 for nuclear fuel parts

2.2.3 打印件的尺寸精度

核燃料零件的3D打印尺寸精度主要分为长、宽、高三个方向的控制。按照SLM成型原理，打印件的尺寸控制可分为铺粉层厚度、烧结层尺寸、逐层累加打印三个关键过程。其尺寸精度控制要素图见图1。

图1 打印件的尺寸精度控制要素图Fig.1 Dimensional accuracy control elements of print

铺粉层厚度：控制单一打印层的打印方向厚度尺寸精度，影响该指标的主要因素为金属粉末原材料堆积后的密实性[7]、粉末的球形度[8]。因此原材料的形状越规则，空心现象越少，3D打印产品的尺寸精度也会越好[9]。此外激光3D打印设备的铺粉滚轮滚压力、平面刮刀的直线度、刮刀预留间隙等设备参数也对铺粉层厚度有一定影响。

单层SLM打印：控制单一打印层的烧结形状尺寸精度，影响该指标的主要因素有三维切片(产品三维建模并分层切片)、支撑设计(用于处理简单悬空结构、过渡结构、反打印应力变形处理、切割加工工艺头、装夹工艺孔等)、熔渣过滤(打印过程中飞溅的过滤处理)、工作环境(工作气氛及其他打印边界条件控制)。

逐层累加打印：控制打印件的整体打印生长尺寸精度，影响该指标的主要因素有层堆积(打印层逐层熔敷及表面成型)、变形控制(激光烧结热加工过程的热应力控制)、过程监控(打印过程缺陷监控)。

2.3 金属增材制造技术与传统机械加工方法之间的对比研究

区别于传统机械加工工艺，增材制造最大的优点为：

1)不需要铸锭、型材、锻件定制环节，同类型金属粉末即可制造各种形状的零件。

2)可制造异形孔、方孔、复杂内部型腔等传统机械加工方法无法制造的结构。

3)不需要消耗刀具、磨料、割具，可减少工具耗材采购环节及耗材成本。

4)制造中不需要复杂夹具、磨具，特别适用于模拟件、试验件、小批量产品的定制加工，节省工装夹具设计采购时间，生产效率和经济效益均较高。

5)工具、磨具、配件可采用嫁接修复或单独打印制造的方法，节约维修时间。

相对应传统机械加工工艺，激光3D打印增材制造的缺点为：

1)不适合加工不等厚结构中薄厚壁交界处无过渡结构且壁厚差值较大的零件。

2)加工悬空或枝状结构时需要设计可去除支撑结构以抵消应力变形，存在3D打印制造后机械加工去支撑工序。

3)加工时和加工后存在较大热应力及变形，必须充分考虑去应力处理工艺。

4)激光直接照射烧结的零件表面，表面粗糙度较差。

本次研究得到的金属激光3D打印零件打印成本统计见表5。

表5 金属激光3D打印零件打印成本统计分析表Table 5 Statistical analysis for the printing costof laser 3D printed metal parts

3 存在的主要技术问题

金属增材制造工艺技术与传统机械加工工艺技术存在很大的区别，目前存在的问题主要是金属增材制造零件对比传统减材加工零件尚有不足之处，部分特性未进过量产验证。具体问题如下：

1)采用激光热源的打印件因为热应力及打印基板问题会产生加工后变形，最终产品的尺寸精度及变形控制措施仍需进一步研究。

2)金属增材制造零件的内部组织形态、化学成分、力学性能等与传统零件存在区别。现有研究数据是在对单个样品进行研究的基础上进行的，代表性不足，还需进行批量分析并研究各项性能改进的方法。

3)金属增材制造零件因原材料粉末、打印工艺、后处理工艺等问题可能出现内外部的各种缺陷，目前对此缺少有效的检测方法。

4)金属增材制造零件的表面粗糙度较差，对某些表面质量要求高的产品，还需要深入研究提高零件表面粗糙度的方法。

5)金属增材制造零件的耐用性、抗腐蚀性、抗辐照蠕变性能还未经过试验或批量化产品验证。

4 结论

经过初步探索性研究、中期力学性能提升研究、后期产业化打印尺寸研究三个阶段，最终得到多种不同类型或材质的核燃料零件的金属激光3D打印工艺技术，实现国际先进制造技术在我公司的首次制造应用。中核建中核燃料元件有限公司研究出的核燃料零部件金属增产制造工艺与国内其他单位研究相比，偏重堆芯产品的实用性、耐用性、可用性等方面，同时注重量产产业化研究，充分考虑了打印件的制造经济性和加工周期问题，突破性的采用增材制造与减材制造相结合的方式，大幅提高核燃料零部件金属增材制造效率和成本。项目对标打印材料为核级低钴金属锻件等已经过堆内辐照考验的成熟材料，力争在化学成分、内部组织、加工性能等产品的内在性能方面满足核燃料金属增产批量制造的要求。研究成果对解决核电出口关键技术瓶颈，提高国内核燃料制造工艺水平，增加CF等自主技术的专利储备等方面意义重大，有相应的应用前景。