燃料组件下管座增材制造技术研究.pdf

由于增材制造技术在提高效率、减小重量、降低体积等方面突出的优势，在核燃料领域得到越来越多研究者的关注。基于增材制造的产品制备与传统工艺存在较大的区别，目前针对核燃料产品的增材制造技术研究系统性有所不足。本文以燃料组件下管座为对象，系统开展了从粉末制备到产品性能检测的增材制造全流程工艺研究：粉末制备采用真空感应熔炼雾化法，增材工艺选用激光选区熔化（）工艺，通过软件开展支撑方案等详细工艺分析，通过固溶热处理和表面处理得到最终下管座产品。对产品性能的测试表明，产品尺寸精度和表面粗糙度良好，流道内壁面的粗糙度略大于流道外壁面；打印材料力学性能较好，方向的强度要高于方向。关键词：增材制造；下管座；激光选区融化；支撑；固溶热处理中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：；修回日期：基金项目：中核集团“青年英才”项目：，（，；，）：，（），：；增材制造（，），又称为 打印，是以三维模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺，由于其在降低重量、减小体积、提高性能效率等方面的优势，在核燃料领域得到越来越多的重视。美国、法国、韩国等针对核燃料组件的下管座、格架、阻流塞等多个零部件开展了增材制造技术研究，西屋公司于 年率先实现了 打印阻流塞入商业堆应用。国内近年来的研究也日益增多，谭磊等分析了金属 打印技术在核电领域的应用前景，认为其在无模具自由成型、数字化存储、核用材料研发方面具有独特优势。中核北方和中核建中核燃料元件有限公司均基于激光增材制造技术，开展了 打印下管座的试制，表明采用 打印可缩短产品开发周期、降低制造成本。张丽英等研究了核燃料组件用奥氏体不锈钢 管座、沉淀强化不锈钢 防异物板、镍基高温合金 弹簧等初步的增材制造工艺，得到了初步的应用数据。上述研究中，侧重工艺尝试和打印产品材料性能的研究，未对产品增材制造全流程进行系统的研究。本文以燃料组件下管座为对象，详细研究增材制造产品的全流程工艺，包括原材料粉末制备、工艺设计、增材制造工艺过程控制及后处理等。下管座全流程增材制造工艺本文研究采用下管座的材料主要为 不锈钢，针对该类金属材料，目前较为成熟的增材制造工艺主要包括：激光选区熔化（）、电子束选区熔化（）、激光近净成型技术增刊李权等：燃料组件下管座增材制造技术研究（）和电弧增材制造（）等。其中，激光选区熔化成型（）技术利用高能激光束将金属粉末直接熔化成型为全致密的三维零件，成型过程无需模具，也不受零件结构复杂程度的限制，其获得的零部件致密度高、精度高、实现冶金结合，因此本文研究采用 技术。参考肖建军等的研究成果，基于 技术的下管座全流程工艺方案需充分考虑原材料特性、下管座几何特征（形状复杂度）、工艺缺陷（变形）、后处理难易程度等因素。基于上述考虑，设置全流程工艺方案分为个阶段：原材料粉末制备、工艺设计（工艺分析软件和工艺设计软件）、增材制造工艺过程控制（激光选区熔化增材制造装备），以及后处理（去支撑、热处理和切削加工等）。其中，工艺设计主要根据样件的几何特征和主要工艺参数基础上，利用工艺分析软件（）评估激光选区熔化成形零件的不利之处（如果样件形状不复杂，通常不进行工艺分析），包括变形开裂等，并反复迭代设计添加支撑（采用 软件，如 来设计实体支撑）和调整扫描策略，进而利用工艺设计软件 进行切片。增材制造工艺过程控制主要是根据 增材制造装备的特性与材料特性，执行工艺设计的结果，并在工艺过程中进行成形质量的控制，保障工艺过程的条件。后处理则是去除支撑、消除残余应力（或进行性能优化），以及通过切削处理达到零件的精度或表面质量要求。如果是无支撑增材制造，那么后处理只需进行消除残余应力（或进行性能优化）的热处理。下管座增材制造总体工艺路线如图所示。其中，虚线部分表示根据增材制造零部件的实际状况进行取舍。图增材制造下管座全流程工艺路线 原材料粉末制备及检测对于 工艺，原材料粉末的性能至关重要，特别是核能领域的应用，制备和检测过程中主要需关注粉末的化学成分、粉末流动性、粉末比表面积、粉末粒度及分布等性能。本研究中采用真空感应熔炼雾化法（）制备原材料 材料粉末，该方法的特点是工艺稳定、成本低，适合单价不高的常用打印材料，例如不锈钢、铝合金、钴合金等。通过严格控制粉末原材料的成分组织及工艺流程，获得的粉末化学成分满足文献中的相关要求。针对不锈钢粉末的流动性测试得到 不锈钢粉末的霍尔流速值为 ，密度和粒径分布测试得到粉末的松装密度检测值为 ，振实密度为 ，粒径分布 ，平均粒径约，均满足相关要求。不锈钢粉末的微观形貌如图所示，可看到，整体球形度良好，粒径分布较均匀。下管座增材工艺设计 下管座三维模型研究中采用燃料组件下管座，其结构示意图如图所示。下管座几何建模采用 软件完成，通过格式文件实现模型信息的传递。原子能科学技术第 卷图粉末微观形貌图（扫描电镜照片）（）图燃料组件下管座 图下管座模型平置打印分析 打印方向分析下管座常用打印的放置方式如图所示，滤板和底板平行，该放置方式效率高，耗粉量小，但针对燃料组件下管座，该放置方式所有绿色区域均需要添加支撑，支撑量很大，并且如白色箭头所指示的和底板接触面具有不同的高度，因此需要整体添加支撑，这样的支撑方式，在打印过程中，每一层的打印面积较大，温度场梯度大，热应力也大，很容易发生支撑从底板上拉裂开，导致整个零件变形。因此，本文考虑图的支撑方式，这种方式将导致支撑量增大，但是核心部件区域，可以通过添加实体支撑的方式，让支撑的拉力更好，打印过程更安全，保证模型打印过程中不易变形。图下管座模型实际打印方向 支撑添加分析确认打印方向后，下一步即是设计支撑方案。参考不锈钢材料传统工艺参数，软件里面设置悬垂面角度小于 区域，需要添加支撑。因此，具有下管座如图 所示绿色的区域为悬垂面需要添加支撑。图下管座需要支撑的区域及支撑设计 整个零件倾斜打印后，为了确保打印过程和打印后、热处理前，打印件不会变形开裂或从底板上面拉裂。因此，在绿色支撑区域，采用实体支撑加网格支撑方案，靠近内部用片状支撑进行支撑，外边缘用实体支撑。实体可平衡材料快速熔凝过程中的热应力，而网格支撑在热处理后较易去除。支撑具体方案，如图 所示。下管座的实体支撑是原模型数据基础上，通过 软件，进行二次设计，让实体支撑和模型成为一体，实体支撑打印结束后通过机加工的方式去除；网格支撑是通过 软件进行设计和添加，网格支撑的具体形貌如图 红色所示。工艺仿真分析在上述支撑方案设计基础上，采用 中 模块对该设计方案打印过程中的应力分布和可能的变形行为进行分析计增刊李权等：燃料组件下管座增材制造技术研究算，样件增材制造打印过程中变形位置及变形量、打印残余应力如图所示。从增材成型仿真结果可看出，支撑添加后，样件变形较小，只有在未添加支撑的外轮廓区域有相对较大变形，最大位移约 ，样件残余应力分布均匀，无明显异常残余应力区域。从基板取下后，零件 变 形 无 明 显 变 化，最 大 变 形 位 移 为 ，如图所示，支撑添加区域变形量小，且相对均匀，残余应力分布均匀，最大残余应力为红色区域，面积小，不影响支撑功能，能够成功约束样件变形及散热。此支撑设计与打印方案可行。图打印过程中的变形量及残余应力 图去除基板后零件变形 扫描策略与切片实体部分采用的扫描策略为棋盘格策略，实体部分和支撑均采用线扫描的方式，扫描参数一致。图、展示了模型添加完支撑后的部分切片数据及局部扫描路径。下管座样件的制备 下管座增材制备将上述研究设计得到的工艺文件在工作站上处理完毕后导入 增材制造装备，完成下管座的打印成形。通过控制激光功率、扫描速度等工艺参数，同时确保工艺设计质量高、粉末质量与数量保障到位、装备状态良好，下管座增材制造工艺过程未出异常。图部分模型切片后数据 从 设备中取出的下管座打印样件原件如图 所示。打印样件从增材制造装备中取出后，先进行喷砂去除粘附的粉末，随后放入真空热处理炉进行固溶热处理。原子能科学技术第 卷上图为支撑扫描路径，下图是实体扫描路径图模型切片后局部扫描路径 图打印完成后下管座样件 下管座增材样件后处理下管座样件打印完成后，需开展固溶热处理和表面热处理。固溶热处理的核心在于消除样件内部的残余应力，改善材料性能，表面处理的目的在于去除多余的支撑材料，提高表面质量。将打印完成的下管座样件放入真空热处理炉进行固溶热处理。热处理结束后，将下管座样件利用线切割从底板上面切割下来，之后利用加工中心去除在 里面添加的实体支撑，最后通过钳工手工去除掉 软件里面添加的网格支撑，并采用机加工方式对支撑结构样件外壁面进行表面处理，采用磨粒流工艺对支撑件流道内壁面进行表面处理。表面质量处理后增材制造下管座的最终形态如图 所示。可看到，下管座的结构尺寸和表面质量都有了大幅的提升，实现了一体成型，相比于传统钎焊工艺，采用增材制造精简了大部分的工艺流程及焊接环节。图后处理完成后的下管座样件 下管座样件的性能检测 尺寸精度及表面粗糙度采用全局式三维扫描仪对增材制造下管座进行三维扫描测量，扫描精度 。采用 软件将扫描数据点处理成三维模型文件。基于三维模型文件，对下管座关键尺寸进行测量，下管座外形尺寸、导向管孔径等尺寸均满足设计图纸要求。针对表面粗糙度，对外壁面（取个位置）及流道内壁面（取个位置）均开展测量，实测结果列于表，获得的增材制造下管座外壁面粗糙度更小，小于 ，满足设计要求，流道内壁面粗糙度略大于外表面，部分表面粗糙度略大于 ，略大于设计指标要求，还需进一步优化，主要原因是该下管座流道部分采用曲面结构，表面处理难度相对大。但下管座整体表面质量良好。表下管座表面粗糙度测试结果 测量项目实际测量数据外壁面粗糙度 ，流道内壁面粗糙度 ，力学性能测试针对 打印下管座的力学性能，采用与下管座完全相同工艺的随炉样件进行测量，样件结构为标准拉伸试样。且针对 工艺，为研究扫描方向与堆积方向力学性能的差异，设置了多组拉伸试样，测试温度为室温以及 ，测试结果列于表。受激光扫描方向及堆积方向的影响，在（扫描方向）及方向增刊李权等：燃料组件下管座增材制造技术研究表随炉试样的拉伸性能 样品类型样品编号测试温度抗拉强度 规定塑性延伸强度 断后伸长率方向室温 室温 室温 方向室温 室温 室温 （堆积方向）上材料的力学性能呈现一定的区别，如表所示，方向上材料的抗拉强度和塑性延伸强度都优于方向，但方向的断后延伸率要优于方向，主要原因是打印方向与堆积方向材料的组织有所差异，总体强度仍较好。方向、方向的力学性能基本达到设计指标要求。与传统工艺制备的下管座相比，本文采用 打印的下管座实现了多个零部件一体成型，减少了多轮次焊接工序，全流程样件制备仅用时，相比传统工艺有效节省了研制周期。但围绕其材料的微观组织和性能还需开展进一步验证。总结本文以燃料组件下管座为对象，基于 工艺，构建了从粉末制备、工艺设计、增材制备及后处理、性能检测的全流程增材制造工艺，研究结果表明：）基于本研究构建的全流程工艺，可获得性能良好的增材制造下管座样件，尺寸精度、表面粗糙度和基本力学性能都较好，同时一体成型，但受后处理难度的影响流道内表面的粗糙度略大于流道外表面，后续将针对材料微观组织进行进一步研究；）基于 工艺获得的产品，方向的力学性能在室温和 条件下都略优于方向，但方向的断后延伸率更高。本文研究成果可为下管座增材制造产品研发提供参考，也可借鉴用于其他增材制造产品的研发过程中。参考文献：张莉，蔡莉，赵松核领域 打印技术进展与应用国外核新闻，（）：，：，谭磊，赵建光金属 打印技术核电领域研究现状及应用前景分析电焊机，（）：，（）：（）中核 集 团 首 次 实 现 打 印 核 燃 料 元 件 制 造 邓话，秦国鹏核燃料零部件的金属增材制造技术研发中国核电，：，原子能科学技术第 卷 ，：，（）张丽英，秦国鹏，尹富斌核燃料零部件的金属 打印制造技术初步研究机械，：，：（）张丽英，秦国鹏核燃料防屑板的激光增材制造技术研究电机焊，（）：，（）：（）柳朝阳，赵备备，李兰杰，等金属材料 打印技术研究进展粉末冶金工业，（）：，（）：（），（）：，王庭庭，张元彬，谢岳良丝材电弧增材制造技术研究现状及展望电焊机，（）：，（）：（）段宣政，赵菲，王淑丹，等国内外金属 打印材料现状与发展焊接，（）：，（）：，（）肖建军，唐平粉末床金属 打印成功率提高的要素研究精密制造与自动化，（）：，吕稀，王云鹏，王曦，等热处理对增材制造核用不锈钢 微 观 结 构 的 影 响 精 密 成 形 工 程，（）：，（）：（）李莎，袁野，钟多军 燃料组件下管座钎焊工艺及缺陷控制电焊机，（）：，（）：（）增刊李权等：燃料组件下管座增材制造技术研究