3D打印的316H不銹鋼“核膠囊”闖關(guān)成功，核領(lǐng)域增材制造新突破

3D打印技術(shù)參考注意到，美國能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)在核部件創(chuàng)新應(yīng)用方面取得新成果，在該實驗室的高通量同位素反應(yīng)堆(HFIR)上成功測試了兩個3D打印的不銹鋼“膠囊”。報道指出，這一成就意味著增材制造部件首次被證實能滿足核電領(lǐng)域嚴(yán)苛的安全標(biāo)準(zhǔn)。

綜合近兩年的信息，筆者注意到ORNL在核領(lǐng)域增材制造方面已進(jìn)行大量研究，本文內(nèi)容還將梳理相關(guān)信息。

為什么選擇316H不銹鋼？

在核材料研究中，研究人員需要將樣品材料放入反應(yīng)堆中接受受中子轟擊，以觀察材料在真實核環(huán)境下的性能變化。這些“膠囊”為實驗提供了壓力和密封屏障，必須同時承受高溫、高壓和強輻射，一旦破裂后果不堪設(shè)想。

ORNL團隊在其實驗室的制造示范設(shè)施中使用激光粉末床系統(tǒng)3D打印了316H不銹鋼膠囊。這種鋼材之所以受到評估，是因為它具有優(yōu)異的高溫強度、耐腐蝕和耐輻射性能、成熟的核級性能以及在反應(yīng)堆環(huán)境中安全耐用使用所必需的可焊性。

隨后，該團隊組裝并驗證了這些膠囊的有效性，以便由橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的輻照工程小組將其放入高頻紅外（HFIR）系統(tǒng)。這些膠囊在反應(yīng)堆中經(jīng)歷了長達(dá)一個月的輻照，最終完好無損地被取出。此次演示為未來使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)核部件設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

實驗證明3D打印核反應(yīng)

關(guān)鍵部件的有效性

ORNL核燃料與材料部門負(fù)責(zé)人Ryan Dehoff表示：“隨著我們證明這些打印部件的可靠性，我們看到未來增材制造可能會成為生產(chǎn)其他關(guān)鍵反應(yīng)堆部件的可能?！?/p>

HFIR提供了世界上最高的中子通量環(huán)境之一，使研究人員能夠在核反應(yīng)堆等條件下測試和鑒定燃料和材料。制造和鑒定用于輻照燃料和材料樣品的實驗艙是一個成本高昂且耗時的過程，需要定制材料和設(shè)計。3D打印可以簡化實驗艙的開發(fā)，顯著降低生產(chǎn)這些部件的成本和時間，最終推動核科學(xué)技術(shù)的更大創(chuàng)新。

橡樹嶺國家實驗室核燃料與材料部門負(fù)責(zé)人Richard Howard表示：“核材料和燃料研究被要求確保先進(jìn)的反應(yīng)堆技術(shù)能夠適應(yīng)極其惡劣的條件。增材制造將擴展我們團隊的工具集，以開發(fā)創(chuàng)新實驗來支持這一關(guān)鍵需求?！?/p>

3D打印無缺陷鎢部件承受極端溫度

2024年，ORNL的研究人員利用電子束增材制造技術(shù)，3D打印出首批結(jié)構(gòu)復(fù)雜、無缺陷的鎢部件，這一成果可能對聚變能技術(shù)產(chǎn)生積極影響。

鎢的熔點是所有金屬中最高的，這使得它成為等離子體溫度超過7.7億攝氏度的聚變反應(yīng)堆的理想材料。相比之下，太陽中心的溫度約為1.1億攝氏度。

純鎢在室溫下易碎，為了解決這個問題，橡樹嶺國家實驗室的研究人員開發(fā)了電子束3D打印機，可以將鎢逐層沉積成精確的三維形狀。該技術(shù)利用高真空環(huán)境中的磁力導(dǎo)向粒子流，將金屬粉末熔化并粘合成固體金屬物體。真空環(huán)境可以減少異物污染和殘余應(yīng)力的形成。

ORNL的Michael Kirka表示：“電子束增材制造技術(shù)在加工復(fù)雜的鎢幾何形狀方面前景光明。這對于擴大耐高溫金屬在能源領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要?！?/p>

3D打印鉬部件可制造核熱推進(jìn)關(guān)鍵部件

2021年，橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 和開發(fā)了一種用于制造和驗證高溫反應(yīng)堆應(yīng)用的鉬材料，可用于核熱推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計的核心結(jié)構(gòu)部件制造。鉬是一種可在極端溫度下使用的耐火材料。ORNL使用電子束熔化系統(tǒng)打印出這些復(fù)雜的部件。

ORNL 能源科學(xué)與技術(shù)理事會沉積科學(xué)與技術(shù)組組長Michael Kirka 表示：“這樣的項目使我們能夠發(fā)揮材料加工科學(xué)方面的核心專業(yè)知識，提供針對核能應(yīng)用苛刻性質(zhì)的解決方案?！?/p>

開發(fā)出迄今最輕的3D打印無裂紋高溫合金

3D打印技術(shù)參考于于2024年注意到，ORNL和美國家能源技術(shù)實驗室（NETL）的研究人員已成 功研發(fā)并 3D打印出了一種迄今最輕且無裂紋的合金 ，該合金能夠在1315℃以上的高溫下不會熔化。 這一創(chuàng)新成果能夠 顯著提升渦輪葉片的增材制造水平，它不僅能承受更高的溫度，還能減輕飛機和燃?xì)鉁u輪機的重量 。

這種新型合金由七種元素組成，富含鈮，形成了復(fù)雜的合金結(jié)構(gòu)。其熔點比橡樹嶺國家實驗室之前研發(fā)的鎳鈷超合金至少高出48%。通過精確調(diào)整電子束熔融工藝，研究人員成功打印出了該合金的測試部件。

3D打印技術(shù)參考認(rèn)為，采用EBM工藝是實現(xiàn)該新合金無裂紋3D打印的關(guān)鍵。 由于電子束熔融 工藝本身具備的高溫特性以及電子束偏轉(zhuǎn)與聚焦方面的高度靈活性，該工藝已被證明在裂紋形成方面敏感性較低。文獻(xiàn)中已報道了Inconel 738、Rene142和CMSX-4等多種易開裂合金的成功電子束熔融加工案例，GE航空航天公司則采用EBM工藝批量3D打印易開裂的TiAl合金發(fā)動機葉片。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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