3D打印技术在核电领域的发展应用情况综述

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　　摘 要
　　近年来，金属3D打印工艺技术迅猛发展。作为新一代制造技术，具有不受零件结构复杂程度的限制的特点，能够实现任意复杂形状零件的快速、优质、高效、经济、全智能化和全柔性化制造。目前典型的3D打印工艺主要有电弧增材制造、电子束选区熔化、金属激光近净成形和激光选区熔化成形，通过对典型的3D打印工艺进行深入比较，抓住其设计思想，直接应用于核电行业，具有极佳的发展前景及重大的战略意义，对促进技术进步与装备性能提升有重要意义目的。
　　关键词
　　3D打印技术;核电设备
　　中图分类号： TM623;TP391.73       文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 40
　　Abstract
　　In recent years， metal 3D printing technology has developed rapidly. As a new generation of manufacturing technology， it can realize the rapid， high quality， efficient， economic， intelligent and flexible manufacturing of any complex shape parts without the limitation of the complexity of the parts structure. At present， the typical 3D printing processes mainly include arc additive manufacturing， electron beam selective melting， metal laser near net forming and laser selective melting forming. Through in-depth comparison of the typical 3D printing processes， grasping their design ideas， and directly applying them to the nuclear power industry， it has a very good development prospect and significant strategic significance， which is important to promote technological progress and equipment performance improvement Significance.
　　Key words
　　3D printing technology;Nuclear power equipment
　　1 3D打印技术简介
　　3D打印又叫增材制造（AM），于20世纪90年代开始发展，目前已趋成熟[1]。3D打印是有别于传统制造工艺的新一代制造技术，被誉为将是引领第三次工业革命的核心技术之一[2]。早在2012年，美国在《先进制造国家战略计划》（2012年2月）及《国家制造业创新网络计划》（2012年3月）等战略规划中，就已将3D打印列为未来美国最关键的制造技术之一[3]。我国在2015年5月8日发布的《中国制造2025》规划中，也已明确将3D打印列为重点发展领域[4]。
　　3D打印以数字CAD模型数据为基础，采用类似数学积分的叠加法制造原理，将三维实体的制造降阶为二维截面逐点逐层累加制造的方法，实现了三维零件的降维成形，不受零件结构复杂程度的限制，能够实现任意复杂形状零件的快速、优质、高效、经济、全智能化和全柔性化制造[5]。3D打印是先进制造业的重要组成部分，是近三十年来迅速发展起来的高端数字化制造技术，相对于传统的等材制造（制造过程中ΔM=0，如铸造、锻造等），减材制造（ΔM<0，如车铣刨磨钻镗等），是一种“自下而上”的材料累加成形的制造方法，体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合，实现了制造方式从等材、减材到增材的重大转变，改变了传统制造的理念和模式。
　　金属激光增材制造技术作为增材制造技术中最具前沿和最有潜力的技术，是先进制造和智能制造技术的重要发展方向。金属增材制造技术是以高能束流（激光束/电子束/电弧等）作为热源，通过熔化粉材或丝材实现金属构件逐层堆积成形。根据美国材料与试验协会（ASTM）增材制造委员会F42于2012年1月颁布的标准之“增材制造技术标准用语ASTM F2792-12”，根据所采用能量源和成形材料的不同，典型的金属增材制造主要包括激光选区熔化（SLM）、电子束选区熔化（EBM）、激光近净成形技术（LENS）、电子束熔丝沉积成形（EBFF）和电弧增材制造（WAAM）[6]，如图1所示。
　　近年来，金属3D打印工艺技术迅猛发展。以激光选区熔敷技术（SLM）为例，短短几年年时间，从仅能打印200mm见方大小到尺寸突破1000mm，从性能仅满足铸件指标到可稳定达到锻件水平，发展速度惊人，日新月异。
　　综合来看，3D打印技术作为前沿技术，具有极佳的发展前景及重大的战略意义，对促进技术进步与装备性能提升有重要意义。
　　2 典型3D打印工藝的比较
　　2.1 电弧增材制造（WAAM）
　　同步丝材送进金属增材制造技术采用电子束或电弧（CMT、MIG、TIG等）等作为热源，将金属丝材加热熔化，连续堆积形成沉积层，最终形成“近形”制件。沉积层厚度为毫米量级，具有成形效率高，制造成本低等优点，适合制造大型零件毛坯，成形件需要后续机械加工。但是，由于成形过程中无法添加支撑，难以制造复杂金属构件，尤其是具有异形内流道和悬垂结构的复杂构件，成形精度低，因此很难直接用于核工业复杂构件的成形。 　　2.2 电子束选区熔化（EBM）
　　电子束选区熔化（EBM）的优点在于其能量密度高，热影响区小，变形小，生产率高等，但须在真空环境中进行，需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵，生产应用具有一定局限性。此外，电子束成形由于束斑直径大，其成形精度不及激光选区熔化技术。可见，增材制造的成形质量和成形效率之间存在着矛盾，实际应用中只能在两者间寻求平衡。
　　2.3 金属激光近净成形（LENS）
　　金属激光近净成形（LENS）是在激光熔覆技术基础上发展起来的，采用激光束（一般为多模光纤激光器）与金属粉末同轴或旁轴输送的方法，使粉末汇聚在激光束焦点附近，并通过逐层堆积的成形工艺，将同步送给的金属粉末进行逐层熔化、快速凝固、逐层沉积，从而实现整个金属零件的直接制造。LENS所采用的激光功率较大（1-10kW）、光斑直径大（1-10mm）、粉末沉积效率高（10-80cm3.h-1），但是成形精度低（毫米级别），其技术特点适合于大型构件毛坯件的加工成形，然后通过后续的机械加工完成构件的最终精加工成形，成形时热应力较大，制造精度较差，悬臂结构添加支撑困难。
　　2.4 激光选区熔化成形（SLM）
　　激光选区熔化成形（SLM）技术借助计算机辅助设计与制造，基于“离散-分层-累加”的原理，利用高能激光束将金属粉末直接熔化成形为全致密的三维零件，成形过程无须模具，也不受零件结构复杂程度的限制，未熔粉末可充当支撑材料，可获得冶金结合、高精度、高结构复杂性的金属功能件。与LENS技术相比，SLM所采用的激光功率较低（200-1000W）、激光能量密度高（105-108W.cm-2）、光斑直径小（30-200μm）、粉末沉积效率低（5-30cm3.h-1），但是制造精度很高（±20μm），最小壁厚可以达到80μm，可以轻易实现变壁厚、变截面形状、具有内部异形流道等复杂精密结构件的直接成形，最佳表面粗糙度达到Ra 5以内，精度远高于精铸工艺，很多情况下只需要进行简单的喷砂、抛光后处理即可投入使用。同时，由于SLM成形过程中粉末经历了完全熔化/凝固过程，层间实现了完全的冶金结合，零部件致密度近100%，可实现任意复杂构件的无模具、快速、全致密直接精密净成形，特别适合于成形“小而精”和具有复杂结构零件（悬垂、曲面、多孔结构等）零件，构件性能可达到同成分锻件水平，兼顾精确成形和高性能的优点。因此，SLM工艺被认为是金属增材制造技术领域发展最快和最具发展潜力的技术之一。
　　2.5 典型3D打印工艺比较
　　由于电子束选区熔化在国内应用相对较少，因此未包括在内，表1列出了典型3D打印技术的综合比较[6]。
　　3 3D打印在核能行业的应用
　　3.1 燃料组件的管座样品打印
　　目前，国内主要的核燃料厂已经开展了3D打印技术尝试。中核北方核燃料元件有限公司完成了CAP1400 型燃料组件的管座样品打印，中核建中核燃料元件有限公司成功打印出了CF3 型燃料组件的下管座样品及镍基合金格架样品[7]，见图3。
　　3.2 压力容器增材制造试件
　　2015 年10 月，中国核动力研究设计院与南方增材科技有限公司联合开展ACP100 反应堆压力容器增材制造项目[4]。2016 年12 月3 日，举办了科研成果鉴定会，对试件进行了技术鉴定。
　　ACP100 反应堆压力容器增材制造采用了电熔增材（WAAM）方法，以金属丝材与辅料为打印材料，在电熔冶金的环境下，利用高能热源熔化原料丝材，根据成形构件的分层切片数据，采用计算机控制，实现原材料逐层快速激冷凝固堆积，最终获得金属构件，见图4。经技术鉴定， 3D打印试件的产品性能可达到甚至部分优于锻件产品。
　　3.3 聚变堆第一壁3D打印
　　2018年3月，中科院合肥物质科学研究院以中国抗中子辐照钢（CLAM钢）为原材料，通过3D打印技术开展聚变堆包层部件的试制，并对其组织和性能进行了研究分析，探索该技术在聚变堆等先进核能系统制造上的可行性，希望以此以促进先核能系统复杂构件快速研发和优化并推动其工程化应用[8]，见图5。
　　3.4 复杂流道仪表阀阀体打印
　　2016年9 月，中广核利用3D 打印技术成功制造出核电站复杂流道仪表阀阀体[6]，见图6。该样件采用激光选区融化（SLM）技术打印。据报道，试制件采用激光选区融化（SLM）技术打印，实现了整体打印出内部流道一次成型，其化学成分和基础力学性能均满足核电标准RCC-M的要求。该样件验证了3D打印技术在复杂流道设备制造中的先进性，具有积极的意义。
　　3.5 制冷机端盖打印及应用
　　2018年2月4日，中广核核电运营有限公司与南风股份公司联合研发的制冷机端盖在大亚湾核电站压缩空气生产系统中完成了设备安装，并成功通过了设备再运行鉴定[9]。该3D打印制冷机端盖采用了电熔增材（WAAM）技术，解决了国外厂家设备改型、备件无法供货的问题，是3D打印技术在核电领域的首个工程实践示范应用，具有一定的实用性及效益。
　　3.6 3D打印核电站消防水泵用叶轮
　　2017年，西门子公司通过3D打印制造出核电站消防水泵用叶轮，见图7所示。叶轮直径108mm，其作用是为消防系统提供压力，已成功安装于斯洛文尼的亚克尔什科核电站[10]。該核电站的老旧叶轮自核电站1981年运营开始使用，由于生产该零部件的企业已停业，很难或基本不可能采用传统制造方法、按照原先的设计图纸来制造替换件，因此零部件更换是一个重要问题，通过3D打印技术制造老旧叶轮替换件成为解决核电站运营难题的有效方法。
　　该零部件已经安装于核电站中，并完成了相关测试。测试结果表明，替换件的性能优于原先非3D打印零部件的性能，充分体现出3D打印技术在核工业领域中的应用取得了一定突破，通过3D打印技术制造的零部件能够满足其严格的安全和可靠性要求。 　　过时的老旧零部件再造是核工业领域中很有前景的应用方向，对于工业界其他需要老旧零部件更换的领域也同样适用，充分体现了3D打印技术不仅可有效保障工厂设备/设施能达到预期使用寿命，甚至可以有效延长其使用寿命。
　　西门子相关工作具有一定的实用性及效益。虽然该件为非核级部件，但体现了3D打印技术在核工业领域老旧工厂/设施替换件制造方面具有很重要的应用价值，未来应用潜力巨大。
　　参考文献
　　[1]卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013，42（04）：1-4.
　　[2]第三次产业革命[Z].經济学人（英），2012.
　　[3]祁萌，李晓红，胡晓睿，苟桂枝，黄秋实，王召阳.增材制造技术在国外国防领域的发展现状与趋势[J].国防制造技术，2013（05）：12-16.
　　[4]伍浩松，张焰，戴定.3D核电打印现状及前景[J].中国核工业，2017（07）：45-47.
　　[5]李小丽，马剑雄，李萍，陈琪，周伟民.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表，2014，35（01）：1-5.
　　[6]谭磊，赵建光.金属3D打印技术核电领域研究现状及应用前景分析[J].电焊机，2019，49（04）：339-343.
　　[7]中核集团首次实现3D打印核燃料元件制造[EB/OL].http：//www.cec.org.cn/hangyeguangjiao/kejixinxi/2016-01-15/148029.html.
　　[8]Bo Huang，Yutao Zhai，ShaojunLiu，Xiaodong Mao. Microstructure anisotropy and its effect on mechanical properties of reduced activation ferritic/martensitic steel fabricated by selective laser melting[J]. Journal of Nuclear Materials，2018，500.
　　[9]3D 打印技术首次用于大亚湾核电站[EB/OL]. Http：//dy.163.com/v2/article/detail/DA6OPAES0511CP03.html.
　　[10]陈兴江，刘彦章，张峰.基于3D打印技术的主泵试验用叶轮研制[J].机械设计与制造，2017（S1）：67-69.
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