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本研究以閥門閥體(SS316L)的制造為重點(diǎn)，進(jìn)行了多項(xiàng)機(jī)械性能評估。關(guān)鍵詞：核材料 金屬增材制造 安全等級1級閥門

可用于定制、小規(guī)模生產(chǎn)的增材制造(3D打印)技術(shù)正在出現(xiàn)，通過更換現(xiàn)成的、大規(guī)模生產(chǎn)的部件，將有可能有效、快速地維護(hù)核電站的工業(yè)設(shè)施。3英寸核安全1級閥是壓水堆使用的典型安全級部件。由于閥體零件重30kg，長度300mm，流道形狀在內(nèi)部，傳統(tǒng)的激光粉末床融合(L-PBF)方法難以制造。因此，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是一個(gè)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(jì)算機(jī)數(shù)控)加工制造，該方法在尺寸精度、裝配和連接方面取得了令人滿意的效果。利用這種成功的制造方法，進(jìn)行了機(jī)械性能測試，特別是室溫/高溫拉伸、疲勞和射線照相測試，并描述了制造原型的詳細(xì)過程。

介紹

2011年福島第一核電站事故發(fā)生后，許多運(yùn)營核電站的國家都在考慮興建非核電站。在這種全球趨勢下，由于韓國的能源轉(zhuǎn)換政策，目前還沒有新核電站的建設(shè)。在全球范圍內(nèi)，核電行業(yè)將萎縮。核電站零部件供應(yīng)商將倒閉，核電站將被淘汰，導(dǎo)致供應(yīng)線路無法維持，產(chǎn)品也將停產(chǎn)。在這種情況下，增材制造(AM)技術(shù)是一個(gè)很好的替代方案。可用于定制、小規(guī)模生產(chǎn)的AM技術(shù)正在興起，并被強(qiáng)調(diào)為大規(guī)模生產(chǎn)制造技術(shù)的替代技術(shù)。

DED技術(shù)用于制造大型結(jié)構(gòu)件，因?yàn)樗木鹊陀赑BF(±1?mm，而不是±0.05?mm)，但更快(高達(dá)10倍)。例如，“NorskTitanium AS”公司使用其內(nèi)部的“快速等離子沉積?”工藝為波音787夢想客機(jī)制造鈦結(jié)構(gòu)部件，在該工藝中，鈦絲在充滿氬氣的腔室中熔化。這種方法使每架飛機(jī)的費(fèi)用減少了200萬至300萬美元?！疤├拱⑷R尼亞太空公司”與“挪威鈦AS公司”合作，將購買-飛行比率降低了一半，交貨時(shí)間縮短了6個(gè)月。GKN航空航天公司為“空中客車賽峰發(fā)射器”公司生產(chǎn)的“Vulcan 2.1”發(fā)動機(jī)開發(fā)了首個(gè)先進(jìn)的“阿麗亞娜6噴管(SWAN)”(見下圖a)。通過大規(guī)模的DED生產(chǎn)出直徑為米的2.5個(gè)噴嘴，零件數(shù)量(從1000個(gè)減少到100個(gè))、成本(～40%)、生產(chǎn)時(shí)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(shù)的高精度允許組件設(shè)計(jì)的優(yōu)化和與其他功能的集成。該技術(shù)主要用于較小且復(fù)雜度較高的部件。為空客A350 XWB開發(fā)的支架重量減輕了30%，制造時(shí)間減少了約75%(見上圖b)。Arconic為空客A350 XWB和A320測試版本和美國宇航局SLS/Orion航天器通風(fēng)口制造鈦機(jī)身和發(fā)動機(jī)吊架組件。GE航空正在使用金屬PBF機(jī)器來制造下一代噴氣發(fā)動機(jī)部件，其特點(diǎn)是形狀復(fù)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(shù)量從18個(gè)減少到1個(gè)，重量減少了25%。

最終將發(fā)展增材制造反應(yīng)堆設(shè)計(jì)、分析和制造技術(shù)相關(guān)的核心技術(shù)。然而，目前金屬增材制造還不是一項(xiàng)能夠直接替代傳統(tǒng)制造方法的完整技術(shù)。在零件形狀實(shí)現(xiàn)方面，需要進(jìn)行兩次以上的順序加工，根據(jù)待加工零件的尺寸和最小厚度，以及懸挑結(jié)構(gòu)的位置和分布，修改增材制造方法。增材制造工藝與鑄造等傳統(tǒng)材料制造工藝相似但又有所不同。為了控制增材制造后的內(nèi)部孔隙率和表面粗糙度，還需要采用后處理技術(shù)。

3英寸CVCS(化學(xué)和體積控制系統(tǒng))放低控制閥(規(guī)格:3英寸，2500磅。，設(shè)計(jì)壓力為3025psig，設(shè)計(jì)溫度為650°C，車身液壓測試結(jié)果為633 kg/cm2)，完成流體供應(yīng)和分配、減壓和流量任務(wù)。這種閥門用于控制壓力，除了核電外，在許多工業(yè)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(jìn)行環(huán)境測試。因此，增材制造技術(shù)的應(yīng)用及其在零件制造中的應(yīng)用具有重要意義。閥門底部的金屬組件由閥體、閥蓋和保持架組成。機(jī)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，然后組裝成成品。他們還將接受績效評估。

本研究以閥門閥體(SS316L)的制造為重點(diǎn)，進(jìn)行了多項(xiàng)機(jī)械性能評估，特別是室溫/高溫拉伸試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和射線攝影試驗(yàn)。通過對熱處理前后的機(jī)械性能進(jìn)行評價(jià)，分析了熱處理對合金機(jī)械性能的影響。此外，利用EBSD進(jìn)行顯微組織分析，以評價(jià)增材制造的特性。為了制造實(shí)際尺寸的原型閥，對閥件進(jìn)行了相互組裝。描述了原型制造的詳細(xì)過程。

實(shí)驗(yàn)材料及步驟

粉末和試樣的化學(xué)成分見表1。主要元素組成為17.8% Cr、12.8% Ni、2.36% Mo，微量添加Mn、Si、P、S、n等元素，均受Fe平衡控制，碳含量小于0.02%。這對應(yīng)于典型的SS316L成分，并被確認(rèn)在ASME SA-182 316L (UNS S31603)規(guī)范的范圍內(nèi)。粉末的尺寸在45-105um之間，評估的平均尺寸為82.6 um。DMG MORI Lasertec 65 3D混合機(jī)床作為L-DED設(shè)備，允許增材制造和內(nèi)部數(shù)控加工在同一空間。

表1 粉末和試樣的化學(xué)成分。

表2 L-DED工藝可變條件。

表2為L-DED過程變量條件。激光功率為1000~2500 W，掃描速度為800~1500 mm/min。其中，1800w和1000mm /min被認(rèn)為是最優(yōu)條件，并用于制造機(jī)械試樣和閥門原型。在試樣的生產(chǎn)過程中，這些條件的應(yīng)用沒有太大的變化，只有激光功率略有降低或增加(小于10%)，這取決于試樣表面的發(fā)熱程度。在S45C基礎(chǔ)塊上添加制造SS316L粉末，然后根據(jù)ASTM測試標(biāo)準(zhǔn)制造拉伸和疲勞試樣。在這種情況下，制造了閥體、閥蓋和罐籠原型。拉伸試驗(yàn)按照ASTM E8進(jìn)行，疲勞試驗(yàn)按照ASTM E466-15進(jìn)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(jié)構(gòu)特征。采用JSM-7200F作為高分辨率掃描電鏡。EBSD采用EDAX辛烷值Elite模型。加速度電壓為15kV，電流為5nA。采用常規(guī)機(jī)械拋光法制備試件，最后用硅膠對試件表面進(jìn)行拋光處理。通過從室溫到450℃進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)來評估機(jī)械強(qiáng)度的變化。

通過疲勞試驗(yàn)，測定了107次循環(huán)的疲勞極限應(yīng)力。該閥由閥體、閥蓋和保持架三部分組成。閥門零件的形狀非常復(fù)雜，尤其是閥體部分又大又重。為了制造形狀復(fù)雜的閥門，L-DED技術(shù)利用五軸結(jié)合數(shù)控加工。通過對閥門樣機(jī)制造過程的介紹，驗(yàn)證了L-DED技術(shù)的商業(yè)適用性。通過與某商品鑄件的射線檢測結(jié)果對比，證實(shí)了產(chǎn)品的完整性。個(gè)別制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(hù)氣體中，流速為10~25L/min時(shí)，最大通徑溫度為175℃。結(jié)合電流(~200A)、電壓(12V)和焊接速度(9~13cm/min)估算熱輸入為10~15kJ/cm。

結(jié)果與討論

圖1為使用L-DED方法進(jìn)行制造后機(jī)械性能評估的試件和閥門項(xiàng)目。圖1(a)為垂直于激光掃描方向的掃描法線(SN)方向上高堆疊的圓柱形試樣。為了評估機(jī)械性能，這些試樣分別是符合ASTM E8、E23和E466標(biāo)準(zhǔn)的拉伸和疲勞試樣。當(dāng)對這些試樣進(jìn)行拉伸和疲勞試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中在增材制造過程中形成的層間邊界處。這導(dǎo)致了機(jī)械性能的下降，從而導(dǎo)致整個(gè)試樣的保守結(jié)果。在初步試驗(yàn)結(jié)果中，對平行于激光掃描方向的平面和垂直于激光掃描方向的平面采集的試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，結(jié)果表明，垂直面試樣的抗拉強(qiáng)度下降了約7-8%。(平行于掃描方向的UTS: 582.3MPa;垂直掃描方向:542.7MPa)。

圖1 采用L-DED法制造后用于機(jī)械性能評估的試樣和閥門項(xiàng)目：（a）垂直于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，（c）閥蓋和（d）采用L-DED法制造的閥籠。

圖1(b)、(c)和(d)對應(yīng)地顯示了采用L-DED方法制造的三個(gè)閥門部件的閥體、閥蓋和保持架。由于其尺寸和重量，圖1(b)中的車身部件是最難制造的，而圖1(c)和(d)中的閥蓋和保持架部件則相對容易制造。圖2顯示了增材制造產(chǎn)品的拉伸性能。所有拉伸試樣的拉伸方向與結(jié)構(gòu)方向一致，垂直于激光掃描方向。圖2(a)和(b)分別顯示了根據(jù)溫度評估屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的結(jié)果。通過對3個(gè)試樣的對比，驗(yàn)證了增材制造試樣的高溫?zé)崽幚硇Ч１容^了預(yù)制、1100℃溶液退火(SA) 1小時(shí)和1100℃1100棒熱等靜壓(HIP)試樣。

圖2 增材制造產(chǎn)品的拉伸性能:(a)屈服強(qiáng)度;(b)根據(jù)溫度的拉伸強(qiáng)度結(jié)果。

SS316L是一種低碳合金，與SS316相比，碳含量小于0.02%。因此，固溶退火不是去除碳化物的強(qiáng)制性措施，否則會削弱合金的機(jī)械性能。如圖2所示，屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均隨溫度逐漸降低，可以看出，在450°C和室溫下，強(qiáng)度分別降低了33%和15%。與竣工試樣相比，SA試樣顯示出約15%的強(qiáng)度降低效應(yīng)，HIP處理試樣顯示出與其他試樣類似的強(qiáng)度降低，盡管在圖2（a）所示的100-250°C范圍內(nèi)強(qiáng)度沒有變化。在圖2（b）所示的抗拉強(qiáng)度評估結(jié)果中出現(xiàn)了類似的趨勢，盡管由于熱等靜壓，抗拉強(qiáng)度幾乎沒有變化，可以看出，只有1100°C高溫?zé)崽幚韺?dǎo)致的強(qiáng)度降低。經(jīng)過固溶退火和熱等靜壓處理后，試樣的塑性略有變化。例如，在室溫下，竣工試樣的伸長率為35.43%，而固溶退火試樣的伸長率為45.24%，熱等靜壓試樣的伸長率為40.39%。

如圖3所示，EBSD用于評估成品增材制造產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)。微觀結(jié)構(gòu)觀察區(qū)域?yàn)?mm，對應(yīng)于增材制造條件下的單層厚度。圖3（a）顯示了從掃描法線方向看的微觀結(jié)構(gòu)，圖3（b）顯示了從橫向（TD）看的微觀結(jié)構(gòu)，TD同時(shí)垂直于掃描方向（SD）和掃描法線方向（SN））。在圖3（a）中，根據(jù)激光掃描中心點(diǎn)的移動，晶粒排列具有類似于向左右擴(kuò)展的三角形的形狀，并且在較短側(cè)晶粒尺寸約為20μm，縱橫比接近1:10。證實(shí)了晶體的擇優(yōu)取向?yàn)閽呙璺ㄏ?/p>

圖3 對已建增材制造產(chǎn)品的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行EBSD分析的結(jié)果:(a)從掃描法線方向，(b)從橫向方向。

圖4顯示了已建成的L-DED制造的SS316L試樣在室溫下的疲勞性能。疲勞試驗(yàn)方向也垂直于激光掃描方向，與拉伸試驗(yàn)一樣。試驗(yàn)條件為循環(huán)載荷比為-1，頻率為15 Hz，最大循環(huán)次數(shù)為107次，采用一般的長周期疲勞性能評價(jià)條件。根據(jù)評估數(shù)據(jù)，繪制了SN曲線，以評估107次循環(huán)時(shí)的疲勞極限。疲勞應(yīng)力值在150-350 MPa范圍內(nèi)進(jìn)行評估；五個(gè)試樣斷裂，其余試樣繼續(xù)進(jìn)行107個(gè)循環(huán)或更多。根據(jù)使用SN曲線的分析，疲勞極限值估計(jì)約為202.6 MPa，這與商用SS316L在約200 MPa范圍內(nèi)的疲勞特性相似。

圖4 L-DED制造的SS316L試件在室溫下的疲勞性能。

圖5顯示了使用L-DED方法時(shí)閥體零件的制造過程。灰色表面為外表面，黃色平面為閥門內(nèi)表面。主體分為三個(gè)部分，在這里表示為第1部分、第2部分和第3部分。主體部分的第1部分是第一個(gè)安裝的部分，然后將該部分旋轉(zhuǎn)90度。隨后，依次制造了與流道相對應(yīng)的零件2和零件3。圖6詳細(xì)描述了制造零件1的過程。如圖6（a）所示，該過程分為兩個(gè)過程，一級和二級，因?yàn)樾枰獙﹂y門內(nèi)的球形閥座進(jìn)行數(shù)控加工，以保持流道的表面粗糙度。在進(jìn)行二次加工之前，對圖6（a）中箭頭所示的閥座零件進(jìn)行機(jī)加工，并堆放二次零件。用于創(chuàng)建主要部件和次要部件的實(shí)際程序分別如圖6（b）和（c）所示。

圖5 閥體零件的制造工藝采用L-DED方法。

圖6 制造過程第1部分詳細(xì)介紹:(a)制造過程分為兩個(gè)過程:一級和二級。給出了制造(b)主要零件和(c)次要零件的實(shí)際過程。

圖7為閥門產(chǎn)品第三部分的制造過程。從圖7(a)中可以看出，流道的生成分為三個(gè)細(xì)分。這樣做是為了繼續(xù)進(jìn)行數(shù)控加工，以確保流動路徑內(nèi)的適當(dāng)表面粗糙度，如圖6所示。根據(jù)流道的曲率和長度劃分為三段，并在每個(gè)增材制造段后進(jìn)行數(shù)控加工控制表面粗糙度。本設(shè)計(jì)實(shí)際制作的樣機(jī)如圖7(b)所示。

圖7 閥門產(chǎn)品第3部分的制造工藝：（a）將生產(chǎn)的流道分為三個(gè)部分，（b）原型。

圖8顯示了SS316L材料的射線照相試驗(yàn)（RT）結(jié)果。圖8（a）中的RT測量位置為①靠近圖7中零件1和3的連接處?？梢宰R別出一些可見的黑點(diǎn)；這些是金屬試樣內(nèi)部存在缺陷或缺陷的證據(jù)。為了對結(jié)果進(jìn)行定性比較，圖8（b）、（c）和（d）顯示了以相同比例測量的傳統(tǒng)鑄造材料（通過傳統(tǒng)砂型鑄造制造）中發(fā)現(xiàn)的各種缺陷的圖像。圖8（b）顯示了在鑄造過程中無法從模具中逸出的氣體被截留時(shí)可以觀察到的孔隙。圖8（c）顯示了鑄造過程后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力引起的收縮以及由此產(chǎn)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。從這個(gè)比較中可以看出，使用當(dāng)前的L-DED方法制造產(chǎn)品后，殘余缺陷很小。

圖8 SS316L材料的射線照相試驗(yàn)（RT）結(jié)果：（a）增材制造，L-DED，（b）鑄造，氣孔，（c）鑄造，收縮，（d）鑄造，砂和夾渣。

圖9為閥體與其他流道連接部分法蘭采用GTAW法焊接完成的樣機(jī)。采用不同于現(xiàn)有鑄件的基于粉末冶金的新型焊接工藝，在本體和法蘭之間進(jìn)行焊接。組裝后的閥門重量30kg，長度300mm。尺寸精度和RT測試顯示了良好的一致性，并計(jì)劃對原型進(jìn)行水力泄漏的機(jī)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和法蘭。

總結(jié)

激光定向能沉積(L-DED)用于制造一個(gè)3英寸核安全一級閥門的閥體、閥蓋和保持架部件。在這種情況下，通過室溫/高溫拉伸試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)來測量機(jī)械性能能力，并描述了制造原型所用的工藝。通過固溶退火等熱處理，試件的強(qiáng)度略有降低，而塑性略有提高。無論熱處理前后，試驗(yàn)溫度對拉伸強(qiáng)度的影響均呈現(xiàn)恒定的趨勢。結(jié)果表明，采用DED工藝制備的試樣具有各向異性的織構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)，這與初步試驗(yàn)結(jié)果有良好的相關(guān)性。機(jī)身重量為30公斤，長度為300毫米，內(nèi)部流道形狀是最難制造的部件。該機(jī)床可采用L-DED五軸聯(lián)動加工和數(shù)控加工，在尺寸精度、裝配和連接方面均表現(xiàn)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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