核燃料防屑板的激光增材制造技術(shù)研究

張麗英 秦國鵬

摘要：壓水堆核燃料防屑板屬于精密加工零件，產(chǎn)品的尺寸精度和力學(xué)性能要求非常高。防屑板目前采用電火花加工工藝，需要在210 mm2左右的方形薄板上加工上千個異形方孔，單件零件加工周期長且效率低。為適應(yīng)自主化新型核燃料量產(chǎn)需求，有必要對國際上先進(jìn)的激光制造技術(shù)進(jìn)行研究，找到兼顧質(zhì)量和效率的新型加工方法。文中項(xiàng)目從原材料制備、制造工藝、后處理方法等角度，研究了先進(jìn)激光SLM制造技術(shù)在核燃料防屑板產(chǎn)品加工中的應(yīng)用。研究結(jié)果對解決自主化核燃料制造技術(shù)難題、提高核燃料制造技術(shù)水平具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：核燃料;防屑板;可時效硬化奧氏體不銹鋼;激光3D打印;SLM

中圖分類號：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）07-0104-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.16

0 前言

防屑板的作用是過濾通過核燃料的冷卻水流中的碎屑和異物，防止核燃料受異物刮傷而破損，它是壓水堆核燃料的重要零件之一。防屑板為核反應(yīng)堆芯產(chǎn)品，設(shè)計(jì)工作溫度與一回路冷卻劑工作溫度（約300 ℃）相同，按照熱工-機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分類屬于正常和事故運(yùn)行工況第2類零件[1]，高溫性能要求不高。但反應(yīng)堆內(nèi)工作環(huán)境嚴(yán)苛，設(shè)計(jì)文件對防屑板的尺寸精度、組織成分、耐磨性、抗腐蝕性能等要求很高。其外形如圖1所示，性能技術(shù)要求如表1所示。防屑板尺寸約為210 mm×210 mm×3 mm，薄板上集中分布有1 864個方形孔，25個圓形孔，制造難度大。為適應(yīng)自主化新型核燃料的量產(chǎn)需求，有必要對國際上先進(jìn)的激光增材制造技術(shù)進(jìn)行研究，找到高效的制造方法。

1 防屑板SLM打印制造技術(shù)

研究選用技術(shù)較為成熟的激光選區(qū)熔化技術(shù)（Selective Laser Melting，SLM）[2]。SLM技術(shù)的基本制造過程為：先用軟件設(shè)計(jì)出零件的三維模型、機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)、基板結(jié)構(gòu)等;然后通過軟件進(jìn)行三維模型的切片分層，計(jì)算得到各截面輪廓數(shù)據(jù);之后由切片層的輪廓數(shù)據(jù)生成填充掃描路徑，編制設(shè)備自動運(yùn)行程序指令;最后在惰性氣體保護(hù)艙室中，打印機(jī)自動控制激光束選區(qū)熔化預(yù)先鋪好的金屬粉末層，逐步堆疊成三維實(shí)體金屬零件（也稱為3D打印），其原理如圖2所示。激光選區(qū)熔化的優(yōu)點(diǎn)是：產(chǎn)品精度好、強(qiáng)度高，制造不依賴刀具和型材，直接由金屬粉末便可燒結(jié)出金屬零件。缺點(diǎn)是：使用大功率激光器，設(shè)備昂貴且輔助工藝多，制造技術(shù)要求和維護(hù)成本較高，多用于高端制造領(lǐng)域。

研究發(fā)現(xiàn)，激光 3D打印的加工效率一般與產(chǎn)品厚度成反比。防屑板為薄片網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，厚度僅3 mm，方形孔的尺寸要求和表面粗糙度要求均不高，比較適合采用3D打印方式制造。采用3D打印還可以在原材料采購、型材制造等環(huán)節(jié)減少目前制約產(chǎn)品產(chǎn)量和交貨期的因素。

2 研究結(jié)果

2.1 金屬粉末研制

激光3D打印屬于金屬增材制造，其原材料不是傳統(tǒng)機(jī)械加工中的型材或毛坯件，而是金屬粉末。金屬粉末的大小、形狀均勻性、化學(xué)成分都與打印件的尺寸和性能相關(guān)。核燃料防屑板材料為可時效硬化奧氏體不銹鋼，由于其屬于可控核裂變反應(yīng)堆芯產(chǎn)品，材料成分要求中鈷含量不超過0.04%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），其他成分和要求近似于AISI 660。因?yàn)槠洳馁|(zhì)的特殊性，無法直接購買到成熟可靠的金屬粉末產(chǎn)品，只能從頭開始研發(fā)。

激光3D 打印用金屬粉末除需具有良好的可塑性外，還須滿足粉末粒徑細(xì)小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求[4]。研究發(fā)現(xiàn)，金屬粉末顆粒的大小及形狀越均勻，激光打印鋪粉層的堆密度[5]就越高，打印層的厚度尺寸控制就越精確，對應(yīng)的打印產(chǎn)品尺寸越精確。另外考慮到粉末在激光熔化燒結(jié)過程中可能會出現(xiàn)元素?zé)龘p及冶金化學(xué)變化問題，需要研究對比金屬粉末與激光燒結(jié)后產(chǎn)品的材料化學(xué)成分，分析差異并找到合適的金屬粉末化學(xué)元素配比，保證打印件成分合格。因此，防屑板激光3D打印金屬粉末的研制重點(diǎn)為粉末球形度與化學(xué)成分。粉末制備研究選取技術(shù)較為先進(jìn)的真空氣霧化法。研制粉末的目數(shù)、形狀、化學(xué)成分等指標(biāo)全部按照核電標(biāo)準(zhǔn)、國際或國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求執(zhí)行。最終得到的金屬粉末實(shí)物如圖3所示。實(shí)測制備粉末的松裝密度達(dá)到4.3 g/cm3，球形度超過85%，達(dá)到產(chǎn)品制造要求。粉末激光打印前后化學(xué)成分對比如表2所示。

2.2 打印模型設(shè)計(jì)

激光3D打印屬于熱加工技術(shù)，打印件會產(chǎn)生熱應(yīng)力集中變形和材料收縮變形，導(dǎo)致其尺寸超差。因此設(shè)計(jì)模型時，對于尺寸精度要求最高的2個階梯定位孔及其基準(zhǔn)四方尺寸，應(yīng)預(yù)留機(jī)械精整[6]加工余量。設(shè)計(jì)出的防屑板三維模型及工藝支撐基板放置示意如圖4所示。

2.3 激光打印過程

激光3D打印過程接近于激光堆焊過程，只是在制造尺度上精細(xì)到微米級。研究發(fā)現(xiàn)，防屑板激光3D打印過程的關(guān)鍵控制要素主要有：控制鋪粉厚度、控制燒結(jié)形狀輪廓、控制層間飛濺熔渣。具體分析如下：

（1）控制鋪粉厚度。鋪粉層厚度尺寸精度與粉末指標(biāo)及設(shè)備性能指標(biāo)有關(guān)。其中金屬粉末控制指標(biāo)有堆密度、流動性、球形度等，在前期粉末制備環(huán)節(jié)進(jìn)行控制;設(shè)備性能指標(biāo)主要有鋪粉刮刀尺寸、基板平面度、成型倉基板控溫系統(tǒng)、篩粉系統(tǒng)等。

（2）控制燒結(jié)形狀輪廓。燒結(jié)輪廓的尺寸精度與激光光斑直徑、燒結(jié)材料的收縮率、激光掃描順序、燒結(jié)過程的熱應(yīng)力控制等因素有關(guān)。

（3）控制層間飛濺熔渣。激光燒結(jié)過程中易出現(xiàn)飛濺熔渣。熔渣可能以金屬氧化物、金屬顆粒抱團(tuán)等形式存在，若不及時清理，不僅會影響鋪粉層的密實(shí)性、平整度，還會影響激光燒結(jié)熔敷金屬的性能。研究發(fā)現(xiàn)，可以通過改變保護(hù)氣的吹氣流向和加裝篩粉過濾系統(tǒng)加以控制。

整個防屑板激光SLM打印過程包括三維模型導(dǎo)入、自動打印程序編程、激光路徑優(yōu)化、光斑補(bǔ)償試驗(yàn)、打印邊界條件檢查、篩粉及鋪粉操作、激光選區(qū)熔化燒結(jié)、層間燒結(jié)質(zhì)量監(jiān)控等多個工藝步驟。最終得到的防屑板激光3D打印制造流程如圖5所示。

2.4 激光打印制造后處理

單一的激光3D打印工序完成后，打印件在內(nèi)部殘余應(yīng)力、內(nèi)部缺陷、表面粗糙度等方面仍存在不足，必須與其他機(jī)械加工技術(shù)配合進(jìn)行打印后處理作業(yè)，才能得到較為理想的產(chǎn)品。常用的激光3D打印后處理方法有：熱處理、熱等靜壓處理、電加工、機(jī)械加工、噴涂、噴砂、等離子拋光、電解拋光等。防屑板的激光打印制造后處理采用了時效熱處理、熱等靜壓、線切割、磨削、銑削、噴砂等多種方法。其中熱等靜壓處理由于成本較高，僅在隨爐試樣破損檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)材料力學(xué)性能不足或材料內(nèi)外部微小缺陷的情況下進(jìn)行，屬于必要時的產(chǎn)品性能改進(jìn)工序。圖6a為防屑板激光打印完成的照片，圖6b為打印件切除基板后處理照片，之后還將對工件進(jìn)行時效硬化熱處理、磨削減薄、加工定位沉孔等后處理作業(yè)。

2.5 激光打印制造防屑板整體制造流程

為解決防屑板激光3D打印工序的工藝問題，提高綜合制造效率，需要在激光打印前后加入?yún)f(xié)作加工工序。最終設(shè)計(jì)出由12道工序組成的防屑板產(chǎn)品制造總體流程，如圖7所示。試制合格的激光3D打印防屑板實(shí)物如圖8所示。

2.6 激光3D打印防屑板的性能驗(yàn)證

2.6.1 力學(xué)及組織性能

設(shè)計(jì)文件對防屑板產(chǎn)品的原材料（鍛件）力學(xué)和組織性能有規(guī)定，但由于激光3D打印防屑板是從無到有打印出來的，沒有傳統(tǒng)減材制造中的加工坯料，無法進(jìn)行檢測。為解決此問題，通過制造打印隨爐試樣的方法來間接進(jìn)行性能驗(yàn)證。為此設(shè)計(jì)出用于拉伸、沖擊功、化學(xué)成分、晶間腐蝕、彎曲、表面形貌等各種破損性能檢驗(yàn)的多種隨爐打印試樣。隨爐試樣與防屑板產(chǎn)品使用同設(shè)備同批次粉末打印，確保試樣具有工藝代表性。激光3D打印制造出的隨爐檢查試樣如圖9所示，按照現(xiàn)行減材制造對防屑板原材料（鍛件）的技術(shù)要求對其進(jìn)行破損檢查。傳統(tǒng)減材制造與激光3D打印產(chǎn)品的性能對比如表3所示，其中減材制造試樣取自同批次鍛件坯料，激光3D打印試樣為隨爐打印試樣。

2.6.2 激光打印產(chǎn)品的尺寸

選取激光增材制造防屑板和傳統(tǒng)減材制造防屑板各三件進(jìn)行尺寸檢查，測量全部孔尺寸及孔系形位公差，并計(jì)算各種尺寸精度平均值。統(tǒng)一使用計(jì)量合格的接觸式三坐標(biāo)檢查，檢查數(shù)據(jù)對比如表4所示。由表4可知，激光打印防屑板的方孔、圓孔、外形輪廓的尺寸精度基本一致，但由于激光燒結(jié)應(yīng)力及基板切割后殘余應(yīng)力變形的存在，打印產(chǎn)品的平面變形較大，經(jīng)過磨削校平處理后各項(xiàng)尺寸均合格。其尺寸精度可達(dá)到傳統(tǒng)減材制造工藝的級別。

綜合分析，激光3D打印防屑板產(chǎn)品的力學(xué)性能、組織成分、化學(xué)成分、尺寸精度均可滿足核燃料防屑板產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

2.7 激光打印產(chǎn)品的時間及成本

通過收集及分析小批量激光3D打印防屑板研究試制中的數(shù)據(jù)，得出激光金屬增材制造與傳統(tǒng)減材制造的成本統(tǒng)計(jì)對比如表5所示。從數(shù)據(jù)上可以看出，采用激光3D打印制造的防屑板產(chǎn)品相對傳統(tǒng)減材制造（電加工）產(chǎn)品，加工時間可縮短50%，單件綜合制造成本可減少56%，具有一定的工業(yè)應(yīng)用價值。

3 結(jié)論

從金屬粉末、三維模型設(shè)計(jì)、3D打印過程、后處理、產(chǎn)品性能及尺寸檢驗(yàn)等多個方面對壓水堆核燃料防屑板的激光3D打印制造技術(shù)及其關(guān)鍵過程進(jìn)行了研究。同時依據(jù)小批量試制數(shù)據(jù)，對比分析了激光增材制造與傳統(tǒng)減材制造產(chǎn)品的加工效率與綜合制造成本。研究成果對解決自主化核燃料制造技術(shù)難題、提高核燃料制造技術(shù)水平具有重要的意義。

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