深圳大学增材制造研究所：3D打印高强韧低活化钢研究取得新进展

来源：深圳大学增材制造研究所

低活化铁素体/马氏体（RAFM，Fe-Cr-C-W-Mn-Ta-V）钢在强辐照下具有固有的几何稳定性、较低的辐照肿胀和热膨胀系数、高热导率等优良的热物理特性，并且其低活化成分适于商业化生产，被认为是聚变堆的首选结构材料。目前，世界各国均在发展各自知识产权的RAFM钢，如日本的F82H、欧洲的EUROFER97、美国的9Cr-2WVTa以及中国科学院等离子体物理研究所研发的CLAM与核工业西南物理研究院和中国科学院金属研究所联合开发的CLF系列低活化钢。虽然RAFM钢材料的研发已日趋成熟，但是以RAFM钢作为结构材料的第一壁结构件的加工制造仍是难点问题。第一壁的结构复杂而精密，采用传统制造方法，需要经过多道加工工序，面临流程繁琐、耗材耗时、成本高、缺陷不可控等问题。

增材制造（亦称3D打印）技术具有无需模具、制造周期短、材料利用率高、近净成型、可制备任意形状等优势，有望解决传统制造方法的短板问题，实现聚变堆第一壁复杂结构件的一体化成型。此前，相关研究已证实选区激光熔化（SLM）技术制造聚变堆第一壁复杂结构件的可行性，但是SLM成形RAFM钢的强度高于传统方法制备的RAFM钢，但其塑性差（低于5%）。整体趋势上，RAFM钢的强度和塑性呈现倒置关系，强度越高，塑性下降越明显，未来工作迫切需要同时提高合金强度和塑性，以满足核聚变的服役工况对力学性能的基本要求。

成果简介
针对SLM成形RAFM钢高强度与低塑性不匹配问题，深圳大学增材制造研究所劳长石和陈张伟研究团队围绕CLF-1钢的SLM工艺及其组织性能调控开展了系统工作，首次将非均质双/多模组织设计思路引入到SLM成形高强韧RAFM钢的开发，基于SLM工艺参数和扫描策略的优化，SLM成形CLF-1钢兼具高强度（屈服强度1053 MPa）与高塑性（延伸率16.9%），其综合强韧性显著优于目前文献报道的RAFM钢。

图1.SLM成形CLF-1钢的微观组织与织构

(a, j) 金相显微组织；(b, f, k, o) EBSD IPF图；(c, g, l, p) SEM图；(d, e, m, n) TEM明场像；(h, q) 极图；(i, r) 反极图

通过对比研究S209和S98的微观组织和力学性能，揭示了SLM成形CLF-1钢的强韧化机理，其高强度取决于细晶和细小马氏体片层，高塑性得益于这种双/多模组织对位错主导的加工硬化能力的改善。该工作为3D打印高强韧RAFM钢的结构设计提供重要理论依据和技术指导，促进聚变堆关键部件组织性能可控的一体化成型。相关研究成果发表于国际知名学术期刊Materials Research Letters (IF:7.440)。

图2.SLM成形高强韧CLF-1钢的室温拉伸性能及其与目前你文献报道性能的对比结果

文献链接：
Strong and ductile reduced activation ferritic/martensitic steel additively manufactured by selective laser melting (Materials Research Letters, 2019, doi.org/10.1080/21663831.2019.1631224)