1、钻研布景

增材造作(Additive Manufacturing,AM),亦称3D打印技术，自20世纪80年代诞生以来，以其颠覆性创新特质沉塑全球造作业格局[1]。2013年,美国麦肯锡征询公司将其列为“决定未来经济的十二大颠覆性技术”之一，彰显其战术价值[2-3]。在核电领域，这一技术正以前所未有的深杜纂广度，推动核能设备从设计研发到运行守护的全性命周期改革。国际上,美国橡树岭国度尝试室开发的3D打印堆芯支架[4]自2021年起便在反映堆中发展持久测试(图1);法王法马通于2022年在瑞典核电站实现首个3D打印不锈钢燃料组件的装置。在国内，核动力钻研设计院自主研发的3D打印过程智能在线监控系统,为核级部件3D打印的工程利用提供了主题技术保险[5]。

在全球竞逐先进造作造高点的布景下，增材造作已成为核工业数字化转型的主题引擎。对中国而言,发展自主可控的增材造作技术,不仅是实现核能设备“机能超车”的关键蹊径,更是推动造作业由“规模扩张”向“创新驱动”跃迁的必由之路。因而,本文将在介绍增材造作主题技术的基础上,沉点结合东方沉机在核级316L不锈钢构件增材造作方面的钻研成就,探求该技术在核电领域的深入实际蹊径与面对的挑战。

2、增材造作技术常用步骤与典型利用

增材造作技术实现了从“造作约束设计”到“设计驱动造作”的转变。其中，选区激光溶解(SLM)、电子束溶解(WAAM)和定向能量沉积(DED)等技术凭借怪异优势，已成为当前钻研和利用的前沿。

2.1激光选区溶解

选区激光溶解技术(图2)通过高能激光对金属粉末的选择性逐层溶解[6],可实现近全致密金属构件的造作。SLM技术在钢铁[7]、钛合金[8]、镍基高温合金9等资料系统中获得突破，推动了航空航天、生物医疗等领域的发展，但也面对成本高、成形尺寸受限等挑战。

在核电领域，以国际热核尝试反映堆(ITER)为例,其关键构件资料机能要求极高[10-11]。Zhong钻研团队[12]通过SLM技术成功造备出靠近全致密的316L不锈钢构件,钻研发现,SLM工艺怪异的急剧凝固过程能形成拥有强化作用的胞状亚结构和氧化硅纳米同化物,显著提升了资料的抗裂纹扩大能力(图3)。这一资料系统的钻研基础,与东沉后续在核级316L换热器构件上的钻研一脉相承。

2.2线弧增材造作

线弧增材造作技术基于电弧焊接道理(图4)，通过金属丝材的逐层堆叠[13],实现高达10kg/h的沉积速度，在大尺寸构件造作方面拥有效率高、成本低的优势[14]。在资料利用方面,通过引入冷金属过渡(CMT)技术和层间轧造等创新工艺,可有效解决孔隙率、残存应力等问题[15]。值妥贴心的是，2015年,中国核动力钻研设计院与南方增材科技有限公司合作,选取WAAM技术成功实现了ACP100反映堆压力容器的近净成形造备[16],展示了该技术在核电主设备造作中的潜力(图5)。

2.3定向能量沉积

如图6所示，定向能量沉积技术通过激光束能量输入产生熔池，同步熔融粉末或线材原料，逐层沉积形成三维部件[18]。DED技术已在航空航天(如NASA火箭喷嘴)、生物医疗等领域实现利用[19]。在核电领域,其多资料复合造作与职能梯度结构设计的怪异优势，有望为反映堆关键部件的定造化建复与造作提供新蹊径,详见表1。

表1典型增材造作工艺对比[20-21]

3、增材造作技术在核电领域的关键优势与利用潜力

增材造作技术在深刻扭转核能设备的设计与造作范式[22-23]。首先,其逐层堆积个性大幅缩短了设计迭代周期,国内核工业机构研发的电弧熔丝增材系统[24-25]等实际,充分证了然其在加快核能创新方面的战术价值。其次,增材造作赋予设计极大自由度，中国广核集团选取SLM技术成功将主泵折流管[26]从4个零件一体化成型为单一组件，显著提升了设备靠得住性(见图7(a))。如图7(b),Sustainable Engine Systems公司通过该技术实现的热互换器微型涡轮机针翅式热管一体化造作[27]。此表,在资料机能提升方面,激光增材造作技术成功造备出高机能核燃料防屑板[28],将加工周期缩短50%、成本降低56%;美国爱达荷国度尝试室开发的“激光塑形”技术,成功造备出机能更优的U3Si2燃料幼球，为先进核燃料造作启发了新蹊径。

正是基于上述技术在效能、结构创新和资料机能方面的显著优势,东方沉机针对核级设备的严苛要求，发展了深刻的增材造作技术钻研，出格是在核级316L不锈钢构件的成形工艺与组织调控方面获得了创新性成就。

4、东方沉机在核电领域增材造作技术的利用

东方沉机在核级增材造作领域的钻研，沉点聚焦316不锈钢粉末个性优化与选区激光溶解(SLM)成形工艺的适配性开发，主题选取气雾化预合金化技术造备核级316粉末,搭配SLM工艺发展成形钻研,经表征验证粉末与工艺的适配性,最终通过工艺优化使核级316不锈钢构件致密度达99.5%以上，形成核级复杂构件精密成形的可行规划。

此表,针对核级设备需在复杂多向应力下维持高靠得住性与机能一致性这一行业主题需要，公司突破传统工艺参数优化的局限，从决定资料机能的凝固蹊径这一遗传源头动手，通过成分设计与工艺调控,系统阐释了“凝固行为-显微组织-晶体织构”之间的内涵关联与传导机理。以下结合东方沉机选区激光溶解造备316L核级换热器的最新钻研成就，具体论述凝固蹊径设计、组织形成机造与织构各向异性调控在核级构件增材造作中的关键作用与创新价值。

4.1凝固蹊径的精准设计与调控机理

凝固蹊径决定了资料的初始相组成与微观结构雏形，是影响增材造作构件最终机能的遗传性成分。如图8所示，钻呀弃了传统的经验试错法，创新性地选取推算相图(CALPHAD)步骤，对Fe-Cr-Ni系统进行热力学仿照。通过推算伪二元截面相图，明确了分歧成分下奥氏体(A)、奥氏体-铁素体(AF)、铁素体一奥氏体(FA)及纯铁素体(F)的凝固序列。

通过试验钻研,不仅获得了平衡态下的凝固模式,更深刻分析了在增材造作极端非平衡急剧凝固前提下，凝固蹊径可能产生的偏移机造。例如，高冷却速度会抑造扩散节造的相变，可能使亚稳态相保留,或扭转二次相析出挨次。通过成立并推算等效铁素体不变元素(Creq)与奥氏体不变元素(Nieq)模型,实现了对粉末原料Creq/Nieq比值的定量化设计与精确筛选。这一步骤的主题创新在于,将成分设计从宏观比例节造,提升至对凝固过程中相竞争热力学与动力学的自动过问，从源头上为获得指标微观组织奠定了基础。

4.2显微组织形成机造与工艺调控

SLM工艺中，激光与粉末相互作用形成瞬态熔池并急剧凝固，产生典型的“鱼鳞状”描摹与“细长柱状晶+超细等轴晶”复合组织(图9)。钻研揭示，熔池内三维温度梯度散布导致柱状晶沿最大热流方向表延成长，而熔池边缘因极高冷却速度与过冷杜渍发大量等轴晶形核。通过系统调控激光功率、扫描速杜纂层间温度等关键参数，可优化熔池描摹、细化晶粒并改善元素散布均匀性，从而显著提升资料致密度(>99.5%)与委顿机能。本钻研初次在核电换热器构件中实现工艺一组织一机能的关环调控，为核级复杂构件的精密成形提供了工艺凭据。

4.3基于热处置的织构调控与组织均质化

在核能设备中，构件常接受多向复杂应力，若资料存在显著各向异性，将严沉影响其机能一致性与服役安全性。东沉的钻研了局批注SLM成形的316L不锈钢因沿构建方向强烈的温度梯度，形成显著的<100〉纤维织构，导致力学机能出现显著方向依赖性。通过热处置诱发再结晶与晶粒长大，可有效突破表延成长形成的织构,使晶体取向散布趋于随机(图10)。这一调控不仅降低了资料的各向异性,更提升了构件在分歧方向上的强杜纂韧性匹配性。该钻研从织构形成与演变机理启程，明确了热处置在实现核级构件组织均质化与机能不变动中的关键作用,为增材造作核级部件的工程利用提供了沉要的理论支持。

综上所述,钻研通过凝固蹊径设计一组织工艺调控一织构均质化优化三个环节的系统钻研,构建了“成分工艺组织机能”一体化的核级构件增材造作优化框架,不仅显著提升了316L不锈钢在核级换热器中的利用机能，也为其他核级资料的增材造作提供了可复造的钻研步骤与技术蹊径,拥有较强的理论创新性与工程领导价值。

5、未来发展与挑战

增材造作技术在核电设备研发与造作中的利用正逐步深刻，东方沉机通过凝固蹊径优化、工艺参数调控等伎俩，在核级316L不锈钢构件的成形质量与机能节造方面发展了系统钻研。该技术凭借怪异的逐层堆积和多资料集成个性,在核级资料开发、复杂构件一体化造作和职能集成方面展示出显著潜力:既突破了传统造备步骤的局限,实现了资料微观组织的精确调控与机能提升,又以高设计自由度和近净成形特点，为优化设备靠得住性与经济性提供了新蹊径。

然而,增材造作技术在核电领域的规；萌悦娑远喑撂粽。一方面，逐层堆积的成形方式易导致构件内部出现孔隙、未熔合等体积性缺点，且其创新实现的内部仿生通路、点阵结构等复杂几何构型,使通例无损检测伎俩难以全面覆盖,尤其传统刚性超声探头无法贴合复杂曲面,易形成检测盲区,严沉影响检测了局靠得住性,这一问题亟待技术突破;另一方面,3D打印技术发现之初未针对核工业需要适配,导致核工业领域的3D打印尺度仍处于开发阶段，工艺尺度化、质量认证系统成立等关键环节尚需行业协同攻关。

参考文件:

[1]卢秉恒.增材造作技术:近况与未来[J].中国机械工程,2020，31(1):19-23.

[2]Wong K V,Hernandez F A. A Review of Additive Manufacturing[J].International Scholarly Research Notices,2012,2012:1-10.

[3]Bikas H,Stavropoulos P,Chryssolouris G. Additive manufacturing methods and modelling approaches: a critical review[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2016,83(1-4):389-405.

[4]Singh S,Ramakrishna S,Singh R. Material issues in additive manufacturing:A review[J]. Journal of manufacturing processes,2017,25:185-200.

[5] Li N,Huang S,Zhang G,et al. Progress in additive manufacturing on new materials:a review[J]. Journal of Materials Science&Technology,2019,35(2):242-269.

[6]韩炬，王博超，董东东，等.激光选区溶解Inconel625合金在酸性环境中的侵蚀机理钻研[J].资料导报,2025,39(10):170-175.

[7] Song B,Dong S,Deng S,et al. Microstructure and tensile properties of iron parts fabricated by selective laser melting[J]. Optics&Laser Technology,2014,56:451-460.

[8] Chlebus E,Kuznicka B,Kurzynowski T,et al. Microstructure and mechanical behaviour of Ti-6Al-7Nb alloy produced by selective laser melting[J]. Materials Characterization,2011,62(5):488-495.

[9]Vandenbroucke B, Kruth J P. Selective laser melting of biocompatible metals for rapid manufacturing of medical parts[J].Rapid Prototyping Journal,2007,13(4):196-203.

[10] Yadroitsev I,Gusarov A,Yadroitsava I,et al. Single track formation in selective laser melting of metal powders[J]. Journal of Materials Processing Technology,2010,210(12):1624-1631.

[11] Jerrard P G E,Hao L,Dadbakhsh S,et al. Consolidation behaviour and microstructure characteristics of pure aluminium and alloy powders following Selective Laser Melting processing[ C]//Proceedings of the 36th International MATADOR Conference.London:Springer,2010:487-490.

[12] Mumtaz K A, Hopkinson N. Laser melting functionally graded composition of Waspaloy? and Zirconia powders[J]. Journal of Materials Science,2007,42(18):7647-7656.

[13] Zhong Y,Liu L F,Wikman S,et al. Intragranular cellular segregation network structure strengthening 316L stainless steel prepared by selective laser melting[J]. Journal of Nuclear Materials,2016,470:170-178.

[14] Kumar N, Bhavsar H, Mahesh P V S,et al. Wire arc additive manufacturing- a revolutionary method in additive manufacturing[J].Materials Chemistry and Physics,2022,285:126144.

[15]袁宏,何戈宁,李磊,等.3D打印技术在核电领域的发展利用情况综述[J].科技视界,2020(17):118-122.

[16] Xiong J, Yin Z, Zhang W. Forming appearance control of arc striking and extinguishing area in multi-layer single-pass GMAW-based additive manufacturing[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2016,87(1-4):579-586.

[17]张亚斌.3D打印谱写幼堆传奇:？槭接仔投蜒沽θ萜魍蔡3D打印试件研发幼记[J].中国核工业,2016(12):22-23.

[18] Derekar K S. A review of wire arc additive manufacturing and advances in wire arc additive manufacturing of aluminium[J].Materials Science and Ttechnology,2018,34(8):895-916.

[19] Svetlizky D,Das M,Zheng B,et al. Directed energy deposition(DED) additive manufacturing: Physical characteristics, defects,challenges and applications[J]. Materials Today,2021,49:271-295.

[20] Gradl P R,Protz C,Fikes J,et al. Lightweight thrust chamber assemblies using multi-alloy additive manufacturing and composite overwrap[C]//AIAA Propulsion and Energy 2020 forum. Reston:AIAA,2020:3787.

[21]任慧娇，周冠男，从保强，等.增材造作技术在航空航天金属构件领域的发展及利用[J].航空造作技术,2020,63(10):72-77.

[22]卢秉恒.智能造作与3D打印推动“中国造作2025”[J].高科技与产业化,2018(11):22-25.

[23]赵飞云，贺幼明，王煦嘉，等.3D打印技术对核电设计与造作影响的根基思虑[J].机械设计与钻研,2016,32(1):88-91.

[24]文彦,卢川,刘文兴.美国橡树岭国度尝试室对我国反映堆技术发展的启迪[J].科技视界,2019(32):98-99.

[25]任丽丽,刘金平,冯英超.核电站主泵增材造作工艺初步钻研[J].金属加工(热加工),2017(4):55-57.

[26] Pinkerton A J. An analytical model of beam attenuation and powder heating during coaxial laser direct metal deposition[J]. Journal of Physics D:Applied Physics,2007,40(23):7323-7334.

[27]谭磊,赵建光.金属3D打印技术核电领域钻研近况及利用远景分析[J].电焊机,2019,49(4):339-343.

[28] Hislop Watson D. Pin fin heat exchanger: US2018266773[P].2018-09-20.

（注，原文标题：增材造作技术在核电领域的利用近况与发展_张立殷）