核級增材制件從“可制造”邁向“可認證”的關鍵科學問題與技術壁壘透視：聚焦激光選區熔化316L不銹鋼的微觀遺傳學調控（凝固路徑-顯微組織-晶體織構傳導鏈）、多向應力下性能一致性保持，以及復雜幾何構型超聲檢測盲區消解策略的協同攻關路徑

1、研究背景

增材制造(Additive Manufacturing,AM),亦稱3D打印技術，自20世紀80年代誕生以來，以其顛覆性創新特質重塑全球制造業格局[1]。2013年,美國麥肯錫咨詢公司將其列為“決定未來經濟的十二大顛覆性技術”之一，彰顯其戰略價值[2-3]。在核電領域，這一技術正以前所未有的深度與廣度，推動核能裝備從設計研發到運行維護的全生命周期革新。國際上,美國橡樹嶺國家實驗室開發的3D打印堆芯支架[4]自2021年起便在反應堆中開展長期測試(圖1);法國法馬通于2022年在瑞典核電站完成首個3D打印不銹鋼燃料組件的安裝。在國內，核動力研究設計院自主研發的3D打印過程智能在線監控系統,為核級部件3D打印的工程應用提供了核心技術保障[5]。

在全球競逐先進制造制高點的背景下，增材制造已成為核工業數字化轉型的核心引擎。對中國而言,發展自主可控的增材制造技術,不僅是實現核能裝備“性能超車”的關鍵路徑,更是推動制造業由“規模擴張”向“創新驅動”躍遷的必由之路。因此,本文將在介紹增材制造核心技術的基礎上,重點結合東方重機在核級316L不銹鋼構件增材制造方面的研究成果,探討該技術在核電領域的深化實踐路徑與面臨的挑戰。

2、增材制造技術常用方法與典型應用

增材制造技術實現了從“制造約束設計”到“設計驅動制造”的轉變。其中，選區激光熔化(SLM)、電子束熔化(WAAM)和定向能量沉積(DED)等技術憑借獨特優勢，已成為當前研究和應用的前沿。

2.1激光選區熔化

選區激光熔化技術(圖2)通過高能激光對金屬粉末的選擇性逐層熔化[6],可實現近全致密金屬構件的制造。SLM技術在鋼鐵[7]、鈦合金[8]、鎳基高溫合金9等材料體系中取得突破，推動了航空航天、生物醫療等領域的發展，但也面臨成本高、成形尺寸受限等挑戰。

在核電領域，以國際熱核實驗反應堆(ITER)為例,其關鍵構件材料性能要求極高[10-11]。Zhong研究團隊[12]通過SLM技術成功制備出接近全致密的316L不銹鋼構件,研究發現,SLM工藝獨特的快速凝固過程能形成具有強化作用的胞狀亞結構和氧化硅納米夾雜物,顯著提升了材料的抗裂紋擴展能力(圖3)。這一材料體系的研究基礎,與東重后續在核級316L換熱器構件上的研究一脈相承。

2.2線弧增材制造

線弧增材制造技術基于電弧焊接原理(圖4)，通過金屬絲材的逐層堆疊[13],實現高達10kg/h的沉積速率，在大尺寸構件制造方面具有效率高、成本低的優勢[14]。在材料應用方面,通過引入冷金屬過渡(CMT)技術和層間軋制等創新工藝,可有效解決孔隙率、殘余應力等問題[15]。值得注意的是，2015年,中國核動力研究設計院與南方增材科技有限公司合作,采用WAAM技術成功實現了ACP100反應堆壓力容器的近凈成形制備[16],展示了該技術在核電主設備制造中的潛力(圖5)。

2.3定向能量沉積

如圖6所示，定向能量沉積技術通過激光束能量輸入產生熔池，同步熔融粉末或線材原料，逐層沉積形成三維部件[18]。DED技術已在航空航天(如NASA火箭噴嘴)、生物醫療等領域實現應用[19]。在核電領域,其多材料復合制造與功能梯度結構設計的獨特優勢，有望為反應堆關鍵部件的定制化修復與制造提供新途徑,詳見表1。

表1典型增材制造工藝對比[20-21]

3、增材制造技術在核電領域的關鍵優勢與應用潛力

增材制造技術正在深刻改變核能裝備的設計與制造范式[22-23]。首先,其逐層堆積特性大幅縮短了設計迭代周期,國內核工業機構研發的電弧熔絲增材系統[24-25]等實踐,充分證明了其在加速核能創新方面的戰略價值。其次,增材制造賦予設計極大自由度，中國廣核集團采用SLM技術成功將主泵折流管[26]從4個零件一體化成型為單一組件，顯著提升了設備可靠性(見圖7(a))。如圖7(b),Sustainable Engine Systems公司通過該技術實現的熱交換器微型渦輪機針翅式熱管一體化制造[27]。此外,在材料性能提升方面,激光增材制造技術成功制備出高性能核燃料防屑板[28],將加工周期縮短50%、成本降低56%;美國愛達荷國家實驗室開發的“激光塑形”技術,成功制備出性能更優的U3Si2燃料小球，為先進核燃料制造開辟了新路徑。

正是基于上述技術在效率、結構創新和材料性能方面的顯著優勢,東方重機針對核級裝備的嚴苛要求，開展了深入的增材制造技術研究，特別是在核級316L不銹鋼構件的成形工藝與組織調控方面取得了創新性成果。

4、東方重機在核電領域增材制造技術的應用

東方重機在核級增材制造領域的研究，重點聚焦316不銹鋼粉末特性優化與選區激光熔化(SLM)成形工藝的適配性開發，核心采用氣霧化預合金化技術制備核級316粉末,搭配SLM工藝開展成形研究,經表征驗證粉末與工藝的適配性,最終通過工藝優化使核級316不銹鋼構件致密度達99.5%以上，形成核級復雜構件精密成形的可行方案。

此外,針對核級裝備需在復雜多向應力下保持高可靠性與性能一致性這一行業核心需求，公司突破傳統工藝參數優化的局限，從決定材料性能的凝固路徑這一遺傳源頭入手，通過成分設計與工藝調控,系統闡釋了“凝固行為-顯微組織-晶體織構”之間的內在關聯與傳導機理。以下結合東方重機選區激光熔化制備316L核級換熱器的最新研究成果，具體闡述凝固路徑設計、組織形成機制與織構各向異性調控在核級構件增材制造中的關鍵作用與創新價值。

4.1凝固路徑的精準設計與調控機理

凝固路徑決定了材料的初始相組成與微觀結構雛形，是影響增材制造構件最終性能的遺傳性因素。如圖8所示，研究摒棄了傳統的經驗試錯法，創新性地采用計算相圖(CALPHAD)方法，對Fe-Cr-Ni體系進行熱力學模擬。通過計算偽二元截面相圖，明確了不同成分下奧氏體(A)、奧氏體-鐵素體(AF)、鐵素體一奧氏體(FA)及純鐵素體(F)的凝固序列。

通過試驗研究,不僅獲得了平衡態下的凝固模式,更深入分析了在增材制造極端非平衡快速凝固條件下，凝固路徑可能發生的偏移機制。例如，高冷卻速率會抑制擴散控制的相變，可能使亞穩態相保留,或改變二次相析出順序。通過建立并計算等效鐵素體穩定元素(Creq)與奧氏體穩定元素(Nieq)模型,實現了對粉末原料Creq/Nieq比值的定量化設計與精確篩選。這一方法的核心創新在于,將成分設計從宏觀比例控制,提升至對凝固過程中相競爭熱力學與動力學的主動干預，從源頭上為獲得目標微觀組織奠定了基礎。

4.2顯微組織形成機制與工藝調控

SLM工藝中，激光與粉末相互作用形成瞬態熔池并快速凝固，產生典型的“魚鱗狀”形貌與“細長柱狀晶+超細等軸晶”復合組織(圖9)。研究揭示，熔池內三維溫度梯度分布導致柱狀晶沿最大熱流方向外延生長，而熔池邊緣因極高冷卻速率與過冷度誘發大量等軸晶形核。通過系統調控激光功率、掃描速度與層間溫度等關鍵參數，可優化熔池形貌、細化晶粒并改善元素分布均勻性，從而顯著提升材料致密度(>99.5%)與疲勞性能。本研究首次在核電換熱器構件中實現工藝一組織一性能的閉環調控，為核級復雜構件的精密成形提供了工藝依據。

4.3基于熱處理的織構調控與組織均質化

在核能裝備中，構件常承受多向復雜應力，若材料存在顯著各向異性，將嚴重影響其性能一致性與服役安全性。東重的研究結果表明SLM成形的316L不銹鋼因沿構建方向強烈的溫度梯度，形成明顯的<100〉纖維織構，導致力學性能呈現顯著方向依賴性。通過熱處理誘發再結晶與晶粒長大，可有效打破外延生長形成的織構,使晶體取向分布趨于隨機(圖10)。這一調控不僅降低了材料的各向異性,更提升了構件在不同方向上的強度與韌性匹配性。該研究從織構形成與演變機理出發，明確了熱處理在實現核級構件組織均質化與性能穩定化中的關鍵作用,為增材制造核級部件的工程應用提供了重要的理論支撐。

綜上所述,研究通過凝固路徑設計一組織工藝調控一織構均質化優化三個環節的系統研究,構建了“成分工藝組織性能”一體化的核級構件增材制造優化框架,不僅顯著提升了316L不銹鋼在核級換熱器中的應用性能，也為其他核級材料的增材制造提供了可復制的研究方法與技術路徑,具有較強的理論創新性與工程指導價值。

5、未來發展與挑戰

增材制造技術在核電裝備研發與制造中的應用正逐步深入，東方重機通過凝固路徑優化、工藝參數調控等手段，在核級316L不銹鋼構件的成形質量與性能控制方面開展了系統研究。該技術憑借獨特的逐層堆積和多材料集成特性,在核級材料開發、復雜構件一體化制造和功能集成方面展現出顯著潛力:既突破了傳統制備方法的局限,實現了材料微觀組織的精確調控與性能提升,又以高設計自由度和近凈成形特點，為優化裝備可靠性與經濟性提供了新途徑。

然而,增材制造技術在核電領域的規模化應用仍面臨多重挑戰。一方面，逐層堆積的成形方式易導致構件內部出現孔隙、未熔合等體積性缺陷，且其創新實現的內部仿生通道、點陣結構等復雜幾何構型,使常規無損檢測手段難以全面覆蓋,尤其傳統剛性超聲探頭無法貼合復雜曲面,易形成檢測盲區,嚴重影響檢測結果可靠性,這一問題亟待技術突破;另一方面,3D打印技術發明之初未針對核工業需求適配,導致核工業領域的3D打印標準仍處于開發階段，工藝標準化、質量認證體系建立等關鍵環節尚需行業協同攻關。

參考文獻:

[1]盧秉恒.增材制造技術:現狀與未來[J].中國機械工程,2020，31(1):19-23.

[2]Wong K V,Hernandez F A. A Review of Additive Manufacturing[J].International Scholarly Research Notices,2012,2012:1-10.

[3]Bikas H,Stavropoulos P,Chryssolouris G. Additive manufacturing methods and modelling approaches: a critical review[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2016,83(1-4):389-405.

[4]Singh S,Ramakrishna S,Singh R. Material issues in additive manufacturing:A review[J]. Journal of manufacturing processes,2017,25:185-200.

[5] Li N,Huang S,Zhang G,et al. Progress in additive manufacturing on new materials:a review[J]. Journal of Materials Science&Technology,2019,35(2):242-269.

[6]韓炬，王博超，董東東，等.激光選區熔化Inconel625合金在酸性環境中的腐蝕機理研究[J].材料導報,2025,39(10):170-175.

[7] Song B,Dong S,Deng S,et al. Microstructure and tensile properties of iron parts fabricated by selective laser melting[J]. Optics&Laser Technology,2014,56:451-460.

[8] Chlebus E,Kuznicka B,Kurzynowski T,et al. Microstructure and mechanical behaviour of Ti-6Al-7Nb alloy produced by selective laser melting[J]. Materials Characterization,2011,62(5):488-495.

[9]Vandenbroucke B, Kruth J P. Selective laser melting of biocompatible metals for rapid manufacturing of medical parts[J].Rapid Prototyping Journal,2007,13(4):196-203.

[10] Yadroitsev I,Gusarov A,Yadroitsava I,et al. Single track formation in selective laser melting of metal powders[J]. Journal of Materials Processing Technology,2010,210(12):1624-1631.

[11] Jerrard P G E,Hao L,Dadbakhsh S,et al. Consolidation behaviour and microstructure characteristics of pure aluminium and alloy powders following Selective Laser Melting processing[ C]//Proceedings of the 36th International MATADOR Conference.London:Springer,2010:487-490.

[12] Mumtaz K A, Hopkinson N. Laser melting functionally graded composition of Waspaloy? and Zirconia powders[J]. Journal of Materials Science,2007,42(18):7647-7656.

[13] Zhong Y,Liu L F,Wikman S,et al. Intragranular cellular segregation network structure strengthening 316L stainless steel prepared by selective laser melting[J]. Journal of Nuclear Materials,2016,470:170-178.

[14] Kumar N, Bhavsar H, Mahesh P V S,et al. Wire arc additive manufacturing- a revolutionary method in additive manufacturing[J].Materials Chemistry and Physics,2022,285:126144.

[15]袁宏,何戈寧,李磊,等.3D打印技術在核電領域的發展應用情況綜述[J].科技視界,2020(17):118-122.

[16] Xiong J, Yin Z, Zhang W. Forming appearance control of arc striking and extinguishing area in multi-layer single-pass GMAW-based additive manufacturing[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2016,87(1-4):579-586.

[17]張亞斌.3D打印譜寫小堆傳奇:模塊式小型堆壓力容器筒體3D打印試件研發小記[J].中國核工業,2016(12):22-23.

[18] Derekar K S. A review of wire arc additive manufacturing and advances in wire arc additive manufacturing of aluminium[J].Materials Science and Ttechnology,2018,34(8):895-916.

[19] Svetlizky D,Das M,Zheng B,et al. Directed energy deposition(DED) additive manufacturing: Physical characteristics, defects,challenges and applications[J]. Materials Today,2021,49:271-295.

[20] Gradl P R,Protz C,Fikes J,et al. Lightweight thrust chamber assemblies using multi-alloy additive manufacturing and composite overwrap[C]//AIAA Propulsion and Energy 2020 forum. Reston:AIAA,2020:3787.

[21]任慧嬌，周冠男，從保強，等.增材制造技術在航空航天金屬構件領域的發展及應用[J].航空制造技術,2020,63(10):72-77.

[22]盧秉恒.智能制造與3D打印推動“中國制造2025”[J].高科技與產業化,2018(11):22-25.

[23]趙飛云，賀小明，王煦嘉，等.3D打印技術對核電設計與制造影響的基本思考[J].機械設計與研究,2016,32(1):88-91.

[24]文彥,盧川,劉文興.美國橡樹嶺國家實驗室對我國反應堆技術發展的啟示[J].科技視界,2019(32):98-99.

[25]任麗麗,劉金平,馮英超.核電站主泵增材制造工藝初步研究[J].金屬加工(熱加工),2017(4):55-57.

[26] Pinkerton A J. An analytical model of beam attenuation and powder heating during coaxial laser direct metal deposition[J]. Journal of Physics D:Applied Physics,2007,40(23):7323-7334.

[27]譚磊,趙建光.金屬3D打印技術核電領域研究現狀及應用前景分析[J].電焊機,2019,49(4):339-343.

[28] Hislop Watson D. Pin fin heat exchanger: US2018266773[P].2018-09-20.

（注，原文標題：增材制造技術在核電領域的應用現狀與發展_張立殷）