3D打印高強(qiáng)韌低活化鋼研究取得新進(jìn)展

來(lái)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(qiáng)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(dǎo)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(rèn)為是聚變堆的首選結(jié)構(gòu)材料。目前，世界各國(guó)均在發(fā)展各自知識(shí)產(chǎn)權(quán)的RAFM鋼，如日本的F82H、歐洲的EUROFER97、美國(guó)的9Cr-2WVTa以及中國(guó)科學(xué)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(guó)科學(xué)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(jié)構(gòu)材料的第一壁結(jié)構(gòu)件的加工制造仍是難點(diǎn)問(wèn)題。第一壁的結(jié)構(gòu)復(fù)雜而精密，采用傳統(tǒng)制造方法，需要經(jīng)過(guò)多道加工工序，面臨流程繁瑣、耗材耗時(shí)、成本高、缺陷不可控等問(wèn)題。

增材制造（亦稱3D打?。┘夹g(shù)具有無(wú)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(shì)，有望解決傳統(tǒng)制造方法的短板問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)聚變堆第一壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的一體化成型。此前，相關(guān)研究已證實(shí)選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)制造聚變堆第一壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的可行性，但是SLM成形RAFM鋼的強(qiáng)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(shì)上，RAFM鋼的強(qiáng)度和塑性呈現(xiàn)倒置關(guān)系，強(qiáng)度越高，塑性下降越明顯，未來(lái)工作迫切需要同時(shí)提高合金強(qiáng)度和塑性，以滿足核聚變的服役工況對(duì)力學(xué)性能的基本要求。

圖1.SLM成形CLF-1鋼的微觀組織與織構(gòu)

(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(chǎng)像；(h, q) 極圖；(i, r) 反極圖

針對(duì)SLM成形RAFM鋼高強(qiáng)度與低塑性不匹配問(wèn)題，深圳大學(xué)增材制造研究所勞長(zhǎng)石和陳張偉研究團(tuán)隊(duì)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(zhì)雙/多模組織設(shè)計(jì)思路引入到SLM成形高強(qiáng)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(qiáng)度（屈服強(qiáng)度1053 MPa）與高塑性（延伸率16.9%），其綜合強(qiáng)韌性顯著優(yōu)于目前文獻(xiàn)報(bào)道的RAFM鋼。通過(guò)對(duì)比研究S209和S98的微觀組織和力學(xué)性能，揭示了SLM成形CLF-1鋼的強(qiáng)韌化機(jī)理，其高強(qiáng)度取決于細(xì)晶和細(xì)小馬氏體片層，高塑性得益于這種雙/多模組織對(duì)位錯(cuò)主導(dǎo)的加工硬化能力的改善。該工作為3D打印高強(qiáng)韌RAFM鋼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，促進(jìn)聚變堆關(guān)鍵部件組織性能可控的一體化成型。相關(guān)研究成果發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Materials Research Letters (IF:7.440)。

圖2.SLM成形高強(qiáng)韌CLF-1鋼的室溫拉伸性能及其與目前你文獻(xiàn)報(bào)道性能的對(duì)比結(jié)果