本研究以閥門閥體(ti) (SS316L)的製造為(wei) 重點，進行了多項機械性能評估。關(guan) 鍵詞：核材料 金屬增材製造 安全等級1級閥門

可用於(yu) 定製、小規模生產(chan) 的增材製造(3D打印)技術正在出現，通過更換現成的、大規模生產(chan) 的部件，將有可能有效、快速地維護核電站的工業(ye) 設施。3英寸核安全1級閥是壓水堆使用的典型安全級部件。由於(yu) 閥體(ti) 零件重30kg，長度300mm，流道形狀在內(nei) 部，傳(chuan) 統的激光粉末床融合(L-PBF)方法難以製造。因此，結構穩定性是一個(ge) 問題，需要太多的不可拆卸的支撐。它可以通過L-DED五軸操作和CNC(計算機數控)加工製造，該方法在尺寸精度、裝配和連接方麵取得了令人滿意的效果。利用這種成功的製造方法，進行了機械性能測試，特別是室溫/高溫拉伸、疲勞和射線照相測試，並描述了製造原型的詳細過程。

介紹

2011年福島第一核電站事故發生後，許多運營核電站的國家都在考慮興(xing) 建非核電站。在這種全球趨勢下，由於(yu) 韓國的能源轉換政策，目前還沒有新核電站的建設。在全球範圍內(nei) ，核電行業(ye) 將萎縮。核電站零部件供應商將倒閉，核電站將被淘汰，導致供應線路無法維持，產(chan) 品也將停產(chan) 。在這種情況下，增材製造(AM)技術是一個(ge) 很好的替代方案。可用於(yu) 定製、小規模生產(chan) 的AM技術正在興(xing) 起，並被強調為(wei) 大規模生產(chan) 製造技術的替代技術。

DED技術用於(yu) 製造大型結構件，因為(wei) 它的精度低於(yu) PBF(±1 mm，而不是±0.05 mm)，但更快(高達10倍)。例如，“NorskTitanium AS”公司使用其內(nei) 部的“快速等離子沉積™”工藝為(wei) 波音787夢想客機製造鈦結構部件，在該工藝中，鈦絲(si) 在充滿氬氣的腔室中熔化。這種方法使每架飛機的費用減少了200萬(wan) 至300萬(wan) 美元。“泰利斯阿萊尼亞(ya) 太空公司”與(yu) “挪威鈦AS公司”合作，將購買(mai) -飛行比率降低了一半，交貨時間縮短了6個(ge) 月。GKN航空航天公司為(wei) “空中客車賽峰發射器”公司生產(chan) 的“Vulcan 2.1”發動機開發了首個(ge) 先進的“阿麗(li) 亞(ya) 娜6噴管(SWAN)”(見下圖a)。通過大規模的DED生產(chan) 出直徑為(wei) 米的2.5個(ge) 噴嘴，零件數量(從(cong) 1000個(ge) 減少到100個(ge) )、成本(∼40%)、生產(chan) 時間(∼30%)等都得到了減少。

(a)在前景中，Vulcain 2演示噴嘴使用超過50 kg的DED材料[222];(b) AW350 XWB的AM鈦支架。

粉末床融合(PBF)技術的高精度允許組件設計的優(you) 化和與(yu) 其他功能的集成。該技術主要用於(yu) 較小且複雜度較高的部件。為(wei) 空客A350 XWB開發的支架重量減輕了30%，製造時間減少了約75%(見上圖b)。Arconic為(wei) 空客A350 XWB和A320測試版本和美國宇航局SLS/Orion航天器通風口製造鈦機身和發動機吊架組件。GE航空正在使用金屬PBF機器來製造下一代噴氣發動機部件，其特點是形狀複雜，以獲得更好的冷卻路徑和支撐。使用壽命增加了5倍，所需零件數量從(cong) 18個(ge) 減少到1個(ge) ，重量減少了25%。

最終將發展增材製造反應堆設計、分析和製造技術相關(guan) 的核心技術。然而，目前金屬增材製造還不是一項能夠直接替代傳(chuan) 統製造方法的完整技術。在零件形狀實現方麵，需要進行兩(liang) 次以上的順序加工，根據待加工零件的尺寸和最小厚度，以及懸挑結構的位置和分布，修改增材製造方法。增材製造工藝與(yu) 鑄造等傳(chuan) 統材料製造工藝相似但又有所不同。為(wei) 了控製增材製造後的內(nei) 部孔隙率和表麵粗糙度，還需要采用後處理技術。

3英寸CVCS(化學和體(ti) 積控製係統)放低控製閥(規格:3英寸，2500磅。，設計壓力為(wei) 3025psig，設計溫度為(wei) 650°C，車身液壓測試結果為(wei) 633 kg/cm2)，完成流體(ti) 供應和分配、減壓和流量任務。這種閥門用於(yu) 控製壓力，除了核電外，在許多工業(ye) 中也有類似的用途。特別是，核安全等級閥門除了水壓、操作和流量測試外，還需要進行環境測試。因此，增材製造技術的應用及其在零件製造中的應用具有重要意義(yi) 。閥門底部的金屬組件由閥體(ti) 、閥蓋和保持架組成。機身和閥蓋采用SA351-CF8M，即SS316L，保持架采用SS17-4PH。這些零件都是用L-DED方法打印出來的，然後組裝成成品。他們(men) 還將接受績效評估。

本研究以閥門閥體(ti) (SS316L)的製造為(wei) 重點，進行了多項機械性能評估，特別是室溫/高溫拉伸試驗、疲勞試驗和射線攝影試驗。通過對熱處理前後的機械性能進行評價(jia) ，分析了熱處理對合金機械性能的影響。此外，利用EBSD進行顯微組織分析，以評價(jia) 增材製造的特性。為(wei) 了製造實際尺寸的原型閥，對閥件進行了相互組裝。描述了原型製造的詳細過程。

實驗材料及步驟

粉末和試樣的化學成分見表1。主要元素組成為(wei) 17.8% Cr、12.8% Ni、2.36% Mo，微量添加Mn、Si、P、S、n等元素，均受Fe平衡控製，碳含量小於(yu) 0.02%。這對應於(yu) 典型的SS316L成分，並被確認在ASME SA-182 316L (UNS S31603)規範的範圍內(nei) 。粉末的尺寸在45-105um之間，評估的平均尺寸為(wei) 82.6 um。DMG MORI Lasertec 65 3D混合機床作為(wei) L-DED設備，允許增材製造和內(nei) 部數控加工在同一空間。

表1 粉末和試樣的化學成分。

表2 L-DED工藝可變條件。

表2為(wei) L-DED過程變量條件。激光功率為(wei) 1000~2500 W，掃描速度為(wei) 800~1500 mm/min。其中，1800w和1000mm /min被認為(wei) 是最優(you) 條件，並用於(yu) 製造機械試樣和閥門原型。在試樣的生產(chan) 過程中，這些條件的應用沒有太大的變化，隻有激光功率略有降低或增加(小於(yu) 10%)，這取決(jue) 於(yu) 試樣表麵的發熱程度。在S45C基礎塊上添加製造SS316L粉末，然後根據ASTM測試標準製造拉伸和疲勞試樣。在這種情況下，製造了閥體(ti) 、閥蓋和罐籠原型。拉伸試驗按照ASTM E8進行，疲勞試驗按照ASTM E466-15進行。

利用電子背散射衍射(EBSD)觀察了晶粒形狀和取向等微觀結構特征。采用JSM-7200F作為(wei) 高分辨率掃描電鏡。EBSD采用EDAX辛烷值Elite模型。加速度電壓為(wei) 15kV，電流為(wei) 5nA。采用常規機械拋光法製備試件，最後用矽膠對試件表麵進行拋光處理。通過從(cong) 室溫到450℃進行高溫拉伸試驗來評估機械強度的變化。

通過疲勞試驗，測定了107次循環的疲勞極限應力。該閥由閥體(ti) 、閥蓋和保持架三部分組成。閥門零件的形狀非常複雜，尤其是閥體(ti) 部分又大又重。為(wei) 了製造形狀複雜的閥門，L-DED技術利用五軸結合數控加工。通過對閥門樣機製造過程的介紹，驗證了L-DED技術的商業(ye) 適用性。通過與(yu) 某商品鑄件的射線檢測結果對比，證實了產(chan) 品的完整性。個(ge) 別製造的閥門部件采用焊接方式組裝。鎢極氬弧焊(GTAW)采用沉積焊坡口38mm，每道最大厚度。在99.997% Ar保護氣體(ti) 中，流速為(wei) 10~25L/min時，最大通徑溫度為(wei) 175℃。結合電流(~200A)、電壓(12V)和焊接速度(9~13cm/min)估算熱輸入為(wei) 10~15kJ/cm。

結果與(yu) 討論

圖1為(wei) 使用L-DED方法進行製造後機械性能評估的試件和閥門項目。圖1(a)為(wei) 垂直於(yu) 激光掃描方向的掃描法線(SN)方向上高堆疊的圓柱形試樣。為(wei) 了評估機械性能，這些試樣分別是符合ASTM E8、E23和E466標準的拉伸和疲勞試樣。當對這些試樣進行拉伸和疲勞試驗時，發現應力集中在增材製造過程中形成的層間邊界處。這導致了機械性能的下降，從(cong) 而導致整個(ge) 試樣的保守結果。在初步試驗結果中，對平行於(yu) 激光掃描方向的平麵和垂直於(yu) 激光掃描方向的平麵采集的試樣進行室溫拉伸試驗結果進行檢驗時，結果表明，垂直麵試樣的抗拉強度下降了約7-8%。(平行於(yu) 掃描方向的UTS: 582.3MPa;垂直掃描方向:542.7MPa)。

圖1 采用L-DED法製造後用於(yu) 機械性能評估的試樣和閥門項目：（a）垂直於(yu) 激光掃描方向的掃描法向（SN）方向上疊高的圓柱形試樣。（b）閥體(ti) ，（c）閥蓋和（d）采用L-DED法製造的閥籠。

圖1(b)、(c)和(d)對應地顯示了采用L-DED方法製造的三個(ge) 閥門部件的閥體(ti) 、閥蓋和保持架。由於(yu) 其尺寸和重量，圖1(b)中的車身部件是最難製造的，而圖1(c)和(d)中的閥蓋和保持架部件則相對容易製造。圖2顯示了增材製造產(chan) 品的拉伸性能。所有拉伸試樣的拉伸方向與(yu) 結構方向一致，垂直於(yu) 激光掃描方向。圖2(a)和(b)分別顯示了根據溫度評估屈服強度和抗拉強度的結果。通過對3個(ge) 試樣的對比，驗證了增材製造試樣的高溫熱處理效果。比較了預製、1100℃溶液退火(SA) 1小時和1100℃1100棒熱等靜壓(HIP)試樣。

圖2 增材製造產(chan) 品的拉伸性能:(a)屈服強度;(b)根據溫度的拉伸強度結果。

SS316L是一種低碳合金，與(yu) SS316相比，碳含量小於(yu) 0.02%。因此，固溶退火不是去除碳化物的強製性措施，否則會(hui) 削弱合金的機械性能。如圖2所示，屈服強度和拉伸強度均隨溫度逐漸降低，可以看出，在450°C和室溫下，強度分別降低了33%和15%。與(yu) 竣工試樣相比，SA試樣顯示出約15%的強度降低效應，HIP處理試樣顯示出與(yu) 其他試樣類似的強度降低，盡管在圖2（a）所示的100-250°C範圍內(nei) 強度沒有變化。在圖2（b）所示的抗拉強度評估結果中出現了類似的趨勢，盡管由於(yu) 熱等靜壓，抗拉強度幾乎沒有變化，可以看出，隻有1100°C高溫熱處理導致的強度降低。經過固溶退火和熱等靜壓處理後，試樣的塑性略有變化。例如，在室溫下，竣工試樣的伸長率為(wei) 35.43%，而固溶退火試樣的伸長率為(wei) 45.24%，熱等靜壓試樣的伸長率為(wei) 40.39%。

如圖3所示，EBSD用於(yu) 評估成品增材製造產(chan) 品的微觀結構。微觀結構觀察區域為(wei) 1mm，對應於(yu) 增材製造條件下的單層厚度。圖3（a）顯示了從(cong) 掃描法線方向看的微觀結構，圖3（b）顯示了從(cong) 橫向（TD）看的微觀結構，TD同時垂直於(yu) 掃描方向（SD）和掃描法線方向（SN））。在圖3（a）中，根據激光掃描中心點的移動，晶粒排列具有類似於(yu) 向左右擴展的三角形的形狀，並且在較短側(ce) 晶粒尺寸約為(wei) 20μm，縱橫比接近1:10。證實了晶體(ti) 的擇優(you) 取向為(wei) 掃描法向

圖3 對已建增材製造產(chan) 品的微結構進行EBSD分析的結果:(a)從(cong) 掃描法線方向，(b)從(cong) 橫向方向。

圖4顯示了已建成的L-DED製造的SS316L試樣在室溫下的疲勞性能。疲勞試驗方向也垂直於(yu) 激光掃描方向，與(yu) 拉伸試驗一樣。試驗條件為(wei) 循環載荷比為(wei) -1，頻率為(wei) 15 Hz，最大循環次數為(wei) 107次，采用一般的長周期疲勞性能評價(jia) 條件。根據評估數據，繪製了SN曲線，以評估107次循環時的疲勞極限。疲勞應力值在150-350 MPa範圍內(nei) 進行評估；五個(ge) 試樣斷裂，其餘(yu) 試樣繼續進行107個(ge) 循環或更多。根據使用SN曲線的分析，疲勞極限值估計約為(wei) 202.6 MPa，這與(yu) 商用SS316L在約200 MPa範圍內(nei) 的疲勞特性相似。

圖4 L-DED製造的SS316L試件在室溫下的疲勞性能。

圖5顯示了使用L-DED方法時閥體(ti) 零件的製造過程。灰色表麵為(wei) 外表麵，黃色平麵為(wei) 閥門內(nei) 表麵。主體(ti) 分為(wei) 三個(ge) 部分，在這裏表示為(wei) 第1部分、第2部分和第3部分。主體(ti) 部分的第1部分是第一個(ge) 安裝的部分，然後將該部分旋轉90度。隨後，依次製造了與(yu) 流道相對應的零件2和零件3。圖6詳細描述了製造零件1的過程。如圖6（a）所示，該過程分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 過程，一級和二級，因為(wei) 需要對閥門內(nei) 的球形閥座進行數控加工，以保持流道的表麵粗糙度。在進行二次加工之前，對圖6（a）中箭頭所示的閥座零件進行機加工，並堆放二次零件。用於(yu) 創建主要部件和次要部件的實際程序分別如圖6（b）和（c）所示。

圖5 閥體(ti) 零件的製造工藝采用L-DED方法。

圖6 製造過程第1部分詳細介紹:(a)製造過程分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 過程:一級和二級。給出了製造(b)主要零件和(c)次要零件的實際過程。

圖7為(wei) 閥門產(chan) 品第三部分的製造過程。從(cong) 圖7(a)中可以看出，流道的生成分為(wei) 三個(ge) 細分。這樣做是為(wei) 了繼續進行數控加工，以確保流動路徑內(nei) 的適當表麵粗糙度，如圖6所示。根據流道的曲率和長度劃分為(wei) 三段，並在每個(ge) 增材製造段後進行數控加工控製表麵粗糙度。本設計實際製作的樣機如圖7(b)所示。

圖7 閥門產(chan) 品第3部分的製造工藝：（a）將生產(chan) 的流道分為(wei) 三個(ge) 部分，（b）原型。

圖8顯示了SS316L材料的射線照相試驗（RT）結果。圖8（a）中的RT測量位置為(wei) ①靠近圖7中零件1和3的連接處。可以識別出一些可見的黑點；這些是金屬試樣內(nei) 部存在缺陷或缺陷的證據。為(wei) 了對結果進行定性比較，圖8（b）、（c）和（d）顯示了以相同比例測量的傳(chuan) 統鑄造材料（通過傳(chuan) 統砂型鑄造製造）中發現的各種缺陷的圖像。圖8（b）顯示了在鑄造過程中無法從(cong) 模具中逸出的氣體(ti) 被截留時可以觀察到的孔隙。圖8（c）顯示了鑄造過程後產(chan) 生的殘餘(yu) 應力引起的收縮以及由此產(chan) 生的缺陷形成。圖8（d）顯示了鑄造過程中意外包含的砂或熔渣形成的缺陷形狀。從(cong) 這個(ge) 比較中可以看出，使用當前的L-DED方法製造產(chan) 品後，殘餘(yu) 缺陷很小。

圖8 SS316L材料的射線照相試驗（RT）結果：（a）增材製造，L-DED，（b）鑄造，氣孔，（c）鑄造，收縮，（d）鑄造，砂和夾渣。

圖9為(wei) 閥體(ti) 與(yu) 其他流道連接部分法蘭(lan) 采用GTAW法焊接完成的樣機。采用不同於(yu) 現有鑄件的基於(yu) 粉末冶金的新型焊接工藝，在本體(ti) 和法蘭(lan) 之間進行焊接。組裝後的閥門重量30kg，長度300mm。尺寸精度和RT測試顯示了良好的一致性，並計劃對原型進行水力泄漏的機械性能測試、端載測試和地震測試。

圖9 原型完成之間的焊接閥體(ti) 和法蘭(lan) 。

總結

激光定向能沉積(L-DED)用於(yu) 製造一個(ge) 3英寸核安全一級閥門的閥體(ti) 、閥蓋和保持架部件。在這種情況下，通過室溫/高溫拉伸試驗和疲勞試驗來測量機械性能能力，並描述了製造原型所用的工藝。通過固溶退火等熱處理，試件的強度略有降低，而塑性略有提高。無論熱處理前後，試驗溫度對拉伸強度的影響均呈現恒定的趨勢。結果表明，采用DED工藝製備的試樣具有各向異性的織構微觀結構，這與(yu) 初步試驗結果有良好的相關(guan) 性。機身重量為(wei) 30公斤，長度為(wei) 300毫米，內(nei) 部流道形狀是最難製造的部件。該機床可采用L-DED五軸聯動加工和數控加工，在尺寸精度、裝配和連接方麵均表現出良好的性能。

來源：Additive manufacture of 3 inch nuclear safety class 1 valve by laserdirected energy deposition，Journal of Nuclear Materials，doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.152812

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