3D打印不锈钢在核工业中的应用：揭示微观结构的秘密

来自 实验室仪器网

长期以来，不锈钢一直是核工业的主力材料。它加固了整个核反应堆的墙壁并形成关键部件，可承受数十年的极端高温、压力和辐射。

与传统的炼钢方法相比，增材制造（或3D打印）技术提供了一种更高效、更灵活地生产复杂不锈钢零件的方法。但增材制造工艺可能会在钢零件的微观结构中留下缺陷，影响其性能。

在它们在反应堆环境中受到信任之前，核工业需要更深入地了解3D打印钢材以及如何控制它们。

在最近的研究中，研究人员使用X射线衍射和电子显微镜研究了采用称为激光粉末床熔融（LPBF）的增材制造工艺制成的钢材。

使用LPBF，他们打印了核工业感兴趣的两种不锈钢合金的样品。一项研究重点关注316H，这是一种用于核反应堆结构部件的成熟不锈钢类型。另一项研究重点关注合金709（A709），这是一种专为先进反应堆应用而设计的新型合金。

这两项研究都揭示了印刷钢与锻造钢或传统生产钢之间的重要差异。他们还揭示了印刷钢对通常用于锻造材料的热处理的反应。

在LPBF期间，激光将精确的设计一次一层地熔化成金属粉末，以构建固体3D金属物体。激光引起的快速加热和冷却在钢的微观结构中创造了独特的特征。

例如，印刷钢显示出较多的位错——材料结构中原本一致的图案突然发生变化的缺陷。位错可以增强钢材的强度，但也会增加钢材的内应力，使其更容易断裂。

热处理是缓解这种压力的一种方法。在热处理过程中，材料通过称为恢复的过程开始愈合，其中高温允许原子移动并修复位错。这可能导致再结晶，新的、无应变的晶粒完全取代原始结构。但保留一些脱位可能是有益的，它们促进颗粒的沉淀，在适量的颗粒下，可以进一步提高材料的性能。

研究人员正在研究3D打印钢材中这些工艺之间的微妙平衡，为它们在核应用中的采用铺平道路。

在其中一项研究中，研究人员专注于316H，这是一种著名的锻造结构材料。研究人员使用纳米材料中心（CNM）的能力比较了316H锻造样品和LPBF打印样品的微观结构，包括扫描电子显微镜（SEM）和扫描透射电子显微镜。

他们还在位于科学办公室用户设施（先进光子源（APS））进行了原位X射线衍射实验。在光束线1-ID处，该团队用高能X射线探测样品，因为它们经历了称为固溶退火的热处理的变化。

提供的高光子通量使我们能够在位错恢复过程中实时跟踪微观结构的演变，这是只有像APS这样的同步加速器X射线设施才能实现的。

实验表明，纳米氧化物（3D打印材料中常见的纳米级缺陷）抑制了恢复和再结晶。

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