一种低活化马氏体钢选区激光熔化增材制造工艺的制作方法

本发明涉及一种低活化马氏体钢选区激光熔化增材制造工艺，可用于聚变堆包层及裂变堆等先进核能系统复杂结构部件的快速成型。

背景技术：

增材制造(即3D打印)是近年来兴起并迅速发展的新兴快速精密加工制造技术，已在航空航天领域得到广泛应用；该技术可以加工传统方法难以制造的零件，具有复杂结构部件成型精度高、生产效率高以及部件一体成型效果好等优点。由于不同的材料快速成型工艺差别较大，部件快速成型工艺是该技术的关键。聚变堆采用低活化马氏体钢作为结构材料，低活化马氏体钢具有优良的热物理性能、抗辐照肿胀性能、抗液态金属腐蚀性能等，已被选为聚变堆包层的主要结构材料，也是未来聚变工程示范堆包层的主要候选结构材料；同时，低活化马氏体钢也是铅基堆燃料组件等先进核能系统关键部件的主要候选结构材料。聚变堆包层及铅基堆燃料组件等先进核能系统关键部件服役条件严苛，需承受强中子辐照、高表面热流、高核热沉积、高压及复杂机械载荷等，且这些关键部件结构复杂，对部件的成型质量及成型精度提出了较高的要求。

聚变堆包层等先进核能系统因具有较高的核热沉积，冷却部件一般具有高密度及窄间隔的复杂流道布置。目前，先进核能系统复杂结构含流道冷却部件的成型多采用焊接的方法，尤其是多采用热影响区较小的高能束(如电子束、激光)等焊接方法结合特殊成型工艺(如专利：CN201110250136.4)等；同时，为进一步提高复杂部件的整体成型性能，也采用特种焊接方法(如热等静压扩散焊接、电子束、激光等)的复合焊接技术(如专利：CN200810021143.5)，但因焊缝密集，导致焊接难度较高且焊缝易出现裂纹，此外，焊接过程复杂的热输入导致部件变形较大，成型难度高且后期矫形困难，部件的制备周期长、成本高。

3D打印可一次成型复杂结构的部件，部件变形小，近净成型，无需后续加工处理等，适合具有复杂结构的部件的成型；将3D打印快速成型的精密加工技术运用于聚变堆包层等先进核能系统复杂结构部件的制备，具有广阔的发展和应用前景，需开展聚变堆特殊结构材料的复杂部件快速成型工艺的研究。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题：克服现有复杂结构部件焊接加工难度高、焊接变形大、焊后易出现裂纹等关键问题，提供一种低活化马氏体钢选区激光熔化增材制造工艺，以解决先进核能系统复杂结构部件低活化马氏体钢3D打印快速成型的难题。本发明优选选区激光熔化工艺进行聚变堆包层等先进核能系统关键复杂结构部件的快速加工制造，具有部件可一次成型、成型精度高及成型质量好的优点。

本发明的技术解决方案如下：一种低活化马氏体钢选区激光熔化增材制造工艺，实现步骤如下：

(1)原材料为低活化马氏体钢微球粉末，且细粉与粗粉按一定比例配比，以提高填充密度；

(2)对要成型的复杂结构部件进行图形计算机描述，将要成形的复杂结构部件三维图纸输入控制计算机中，主要包括三维模型的构造，根据是否需要添加支撑等选择成型方向，据部件的大小选择分层切片的厚度与层数，截面轮廓线的提取和填充等，设定切片厚度及总分层数量等；

(3)设定选区激光熔化工艺，激光功率20-300W，光束直径70-135um，扫描速度500-2000mm/s，扫描间距35-120um，分层厚度20-50um，粉末预热150-300℃，成型速度5-20cm³/h，成型室内氩气保护且压力维持在10-20mbar；

(4)粉末配比，细粉(200-400目)与粗粉(50-150目)的粉末重量配比为1～1.5，在真空条件下混合均匀，防止粉末氧化；

(5)铺粉与熔化，通过送粉机构在基板上均匀铺设一层厚度为0.2-1mm的低活化马氏体(CLAM)钢粉末，采用激光束按照计算机图形切片形状对粉末进行快速成型，后续依次进行铺粉并激光束熔化快速成型，直至复杂结构部件完成成型；

(6)部件制造完毕后在300-400℃下保温48小时以上，最后对成型部件进行热处理，热处理工艺：随炉升温至720-760℃，保温60-120min，再随炉冷却至100℃以下后出炉冷却，以减小残余应力，提高成型部件的整体性能；

本发明与现有技术相比的优点：

(1)本发明对复杂结构部件可一次近净成型，尺寸精度可达+0.5mm以内，表面质量较高，一般无需后续机加工处理；

(2)复杂结构部件成型并经过热处理后材料的显微组织与力学性能具有各向同性且均匀化；

(3)成型在氩气保护环境中进行，成型零件氧元素含量(低于100ppm)符合标准，避免了材料氧化，部件成型质量高，组织均匀，无气孔、裂纹及未熔颗粒等缺陷；

(4)成型后的剩余粉末可回收再利用，材料利用率接近100％，成型速度较高(可达到约80cm³/h)等。

附图说明

图1为中国液态DFLL包层第一壁部件；

图2为中国液态DFLL包层冷却板部件；

图3为中国铅基堆燃料组件包壳管上下管座部件。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，不仅仅限于本实施例。

实施例1，以聚变堆中国液态DFLL包层第一壁部件快速成型为例，如图1所示，结构材料为中国低活化马氏体(CLAM)钢；

(1)材料为低活化马氏体(CLAM)钢的微球粉末，并将细粉(200-350目)与粗粉(50-100目)按按重量配比1:1.5混合后装入送粉机构中，粉末预热300℃；

(2)选区激光熔化设备抽真空，待真空度达到10^-3Pa量级后向真空室充入高纯Ar₂，待真空度达到1MPa后，再次抽真空并充入高纯Ar₂，如此反复洗炉2次以上；

(3)首先通过送粉机构在铺粉平面上铺展一层厚度为0.5mm的CLAM钢细粉与粗粉混合配比粉末；

(4)将快速成型的部件的STL格式图纸输入计算机中，进行计算机辅助图形处理；根据部件的尺寸大小：长*宽*高＝161mm*155mm*205mm，选择分层厚度为0.5mm，考虑部件成型后与基板的加工分离，总分层数为4120层；

(5)选区激光熔化工艺：激光功率250W，激光直径80um，扫描速度2000mm/s，扫描间距90um，分层厚度50um，粉末预热300℃，成型室内氩气保护，氩气压力17mbar，在整个成型过程中确保成型室内温度在350℃左右；

(6)激光束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的烧结，金属粉末在激光束的轰击下被烧结在一起，并与下面已成型的部分粘结，待第一层粉末熔化后，通过送粉机构铺设第二层粉末，粉末厚度均匀且与第一层厚度相同，如此层层堆积，直至整个零件全部烧结完成；

(7)部件烧结完成后，在成型室内350℃环境中保温72小时以防止部件产生裂纹，保温结束后开始冷却至室温，开炉并回收多余的填充粉末后取出部件；

(8)部件热处理；部件取出后进行真空热处理，以减小部件成型过程中的残余应力，提高部件的整体性能，热处理工艺：随炉升温至740℃，保温120min，随炉冷却至100℃以下后出炉冷却；

(9)经计算与测量，第一壁部件的成型速度为50cm³/h，成型精度达到+0.3mm，金相观察组织均匀，无气孔、裂纹及未熔颗粒等缺陷。

实施例2：以聚变堆中国液态DFLL包层冷却板部件快速成型为例，如图2所示，结构材料为中国低活化马氏体(CLAM)钢；

(1)材料为低活化马氏体(CLAM)钢的微球粉末，并将细粉(200-350目)与粗粉(50-150目)按按重量配比1:1.5混合后装入送粉机构中，粉末预热250℃；

(2)选区激光熔化设备抽真空，待真空度达到10^-3Pa量级后向真空室充入高纯Ar₂，待真空度达到1MPa后，再次抽真空并充入高纯Ar₂，如此反复洗炉2次以上；

(3)首先通过送粉机构在铺粉平面上铺展一层厚度为0.3mm的CLAM钢细粉与粗粉混合配比粉末；

(4)将快速成型的部件的STL格式图纸输入计算机中，进行计算机辅助图形处理；根据部件的尺寸大小：长*宽*高＝200mm*101mm*10mm，选择分层厚度为0.3mm，考虑部件成型后与基板的加工分离，总分层数为40层；

(5)选区激光熔化工艺：激光功率150W，激光直径90um，扫描速度1000mm/s，扫描间距100um，分层厚度30um，粉末预热250℃，成型室内氩气保护，氩气压力13mbar，在整个成型过程中确保成型室内温度在300℃左右；

(6)激光束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的烧结，金属粉末在激光束的轰击下被烧结在一起，并与下面已成型的部分粘结，待第一层粉末熔化后，通过送粉机构铺设第二层粉末，粉末厚度均匀且与第一层厚度相同，如此层层堆积，直至整个零件全部烧结完成；

(7)部件烧结完成后，在成型室内300℃环境中保温60小时以防止部件产生裂纹，保温结束后开始冷却至室温，开炉并回收多余的填充粉末后取出部件；

(8)部件热处理；部件取出后进行真空热处理，以减小部件成型过程中的残余应力，提高部件的整体性能，热处理工艺：随炉升温至760℃，保温120min，随炉冷却至100℃以下后出炉冷却。

(9)经计算与测量，冷却板部件的成型速度约为60cm³/h，成型精度达到+0.4mm，金相观察组织均匀，未发现气孔、裂纹及未熔颗粒等缺陷。

实施例3：以中国铅基堆燃料组件包壳管上下管座部件快速成型为例，如图3所示，结构材料为中国低活化马氏体钢；

(1)材料为低活化马氏体钢(CLAM)的微球粉末，并将细粉(200-300目)与粗粉(80-150目)按按重量配比1:1.5混合后装入送粉机构中，粉末预热250℃；

(2)选区激光熔化设备抽真空，待真空度达到10^-3Pa量级后向真空室充入高纯Ar₂，待真空度达到1MPa后，再次抽真空并充入高纯Ar₂，如此反复洗炉2次以上；

(3)首先通过送粉机构在铺粉平面上铺展一层厚度为0.5mm的CLAM钢细粉与粗粉混合配比粉末；

(4)将快速成型的部件的STL格式图纸输入计算机中，进行计算机辅助图形处理；根据部件的尺寸大小：长*宽*高＝117mm*130mm*10mm，选择分层厚度为0.2mm，考虑部件成型后与基板的加工分离，总分层数为80层；

(5)选区激光熔化工艺：激光功率80W，激光直径70um，扫描速度700mm/s，扫描间距80um，分层厚度20um，粉末预热250℃，成型室内氩气保护，氩气压力15mbar，在整个成型过程中确保成型室内温度在350℃左右；

(6)激光束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的烧结，金属粉末在激光束的轰击下被烧结在一起，并与下面已成型的部分粘结，待第一层粉末熔化后，通过送粉机构铺设第二层粉末，粉末厚度均匀且与第一层厚度相同，如此层层堆积，直至整个零件全部烧结完成；

(7)部件烧结完成后，在成型室内350℃环境中保温48小时以防止部件产生裂纹，保温结束后开始冷却至室温，开炉并回收多余的填充粉末后取出部件；

(8)部件热处理；部件取出后进行真空热处理，以减小部件成型过程中的残余应力，提高部件的整体性能，热处理工艺：随炉升温至720℃，保温90min，随炉冷却至100℃以下后出炉冷却；

(9)经计算与测量，该管座部件的成型速度为75cm³/h，成型精度达到+0.2mm，金相观察组织均匀，无气孔、裂纹及未熔颗粒等缺陷。

需要说明的是，按照本发明上述各实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明权利要求1及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述各实施例；且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。