[发明专利]一种低活化马氏体钢选区激光熔化增材制造工艺

说明书

技术领域

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。

发明内容

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；