本研究以阀门阀体(SS316L)的制造为重点，进行了多项机械性能评估。关键词：核材料 金属增材制造 安全等级1级阀门

可用于定制、小规模生产的增材制造(3D打印)技术正在出现，通过更换现成的、大规模生产的部件，将有可能有效、快速地维护核电站的工业设施。3英寸核安全1级阀是压水堆使用的典型安全级部件。由于阀体零件重30kg，长度300mm，流道形状在内部，传统的激光粉末床融合(L-PBF)方法难以制造。因此，结构稳定性是一个问题，需要太多的不可拆卸的支撑。它可以通过L-DED五轴操作和CNC(计算机数控)加工制造，该方法在尺寸精度、装配和连接方面取得了令人满意的效果。利用这种成功的制造方法，进行了机械性能测试，特别是室温/高温拉伸、疲劳和射线照相测试，并描述了制造原型的详细过程。

介绍

2011年福岛第一核电站事故发生后，许多运营核电站的国家都在考虑兴建非核电站。在这种全球趋势下，由于韩国的能源转换政策，目前还没有新核电站的建设。在全球范围内，核电行业将萎缩。核电站零部件供应商将倒闭，核电站将被淘汰，导致供应线路无法维持，产品也将停产。在这种情况下，增材制造(AM)技术是一个很好的替代方案。可用于定制、小规模生产的AM技术正在兴起，并被强调为大规模生产制造技术的替代技术。

DED技术用于制造大型结构件，因为它的精度低于PBF(±1 mm，而不是±0.05 mm)，但更快(高达10倍)。例如，“NorskTitanium AS”公司使用其内部的“快速等离子沉积™”工艺为波音787梦想客机制造钛结构部件，在该工艺中，钛丝在充满氩气的腔室中熔化。这种方法使每架飞机的费用减少了200万至300万美元。“泰利斯阿莱尼亚太空公司”与“挪威钛AS公司”合作，将购买-飞行比率降低了一半，交货时间缩短了6个月。GKN航空航天公司为“空中客车赛峰发射器”公司生产的“Vulcan 2.1”发动机开发了首个先进的“阿丽亚娜6喷管(SWAN)”(见下图a)。通过大规模的DED生产出直径为米的2.5个喷嘴，零件数量(从1000个减少到100个)、成本(∼40%)、生产时间(∼30%)等都得到了减少。

(a)在前景中，Vulcain 2演示喷嘴使用超过50 kg的DED材料[222];(b) AW350 XWB的AM钛支架。

粉末床融合(PBF)技术的高精度允许组件设计的优化和与其他功能的集成。该技术主要用于较小且复杂度较高的部件。为空客A350 XWB开发的支架重量减轻了30%，制造时间减少了约75%(见上图b)。Arconic为空客A350 XWB和A320测试版本和美国宇航局SLS/Orion航天器通风口制造钛机身和发动机吊架组件。GE航空正在使用金属PBF机器来制造下一代喷气发动机部件，其特点是形状复杂，以获得更好的冷却路径和支撑。使用寿命增加了5倍，所需零件数量从18个减少到1个，重量减少了25%。

最终将发展增材制造反应堆设计、分析和制造技术相关的核心技术。然而，目前金属增材制造还不是一项能够直接替代传统制造方法的完整技术。在零件形状实现方面，需要进行两次以上的顺序加工，根据待加工零件的尺寸和最小厚度，以及悬挑结构的位置和分布，修改增材制造方法。增材制造工艺与铸造等传统材料制造工艺相似但又有所不同。为了控制增材制造后的内部孔隙率和表面粗糙度，还需要采用后处理技术。

3英寸CVCS(化学和体积控制系统)放低控制阀(规格:3英寸，2500磅。，设计压力为3025psig，设计温度为650°C，车身液压测试结果为633 kg/cm2)，完成流体供应和分配、减压和流量任务。这种阀门用于控制压力，除了核电外，在许多工业中也有类似的用途。特别是，核安全等级阀门除了水压、操作和流量测试外，还需要进行环境测试。因此，增材制造技术的应用及其在零件制造中的应用具有重要意义。阀门底部的金属组件由阀体、阀盖和保持架组成。机身和阀盖采用SA351-CF8M，即SS316L，保持架采用SS17-4PH。这些零件都是用L-DED方法打印出来的，然后组装成成品。他们还将接受绩效评估。

本研究以阀门阀体(SS316L)的制造为重点，进行了多项机械性能评估，特别是室温/高温拉伸试验、疲劳试验和射线摄影试验。通过对热处理前后的机械性能进行评价，分析了热处理对合金机械性能的影响。此外，利用EBSD进行显微组织分析，以评价增材制造的特性。为了制造实际尺寸的原型阀，对阀件进行了相互组装。描述了原型制造的详细过程。

实验材料及步骤

粉末和试样的化学成分见表1。主要元素组成为17.8% Cr、12.8% Ni、2.36% Mo，微量添加Mn、Si、P、S、n等元素，均受Fe平衡控制，碳含量小于0.02%。这对应于典型的SS316L成分，并被确认在ASME SA-182 316L (UNS S31603)规范的范围内。粉末的尺寸在45-105um之间，评估的平均尺寸为82.6 um。DMG MORI Lasertec 65 3D混合机床作为L-DED设备，允许增材制造和内部数控加工在同一空间。

表1 粉末和试样的化学成分。

表2 L-DED工艺可变条件。

表2为L-DED过程变量条件。激光功率为1000~2500 W，扫描速度为800~1500 mm/min。其中，1800w和1000mm /min被认为是最优条件，并用于制造机械试样和阀门原型。在试样的生产过程中，这些条件的应用没有太大的变化，只有激光功率略有降低或增加(小于10%)，这取决于试样表面的发热程度。在S45C基础块上添加制造SS316L粉末，然后根据ASTM测试标准制造拉伸和疲劳试样。在这种情况下，制造了阀体、阀盖和罐笼原型。拉伸试验按照ASTM E8进行，疲劳试验按照ASTM E466-15进行。

利用电子背散射衍射(EBSD)观察了晶粒形状和取向等微观结构特征。采用JSM-7200F作为高分辨率扫描电镜。EBSD采用EDAX辛烷值Elite模型。加速度电压为15kV，电流为5nA。采用常规机械抛光法制备试件，最后用硅胶对试件表面进行抛光处理。通过从室温到450℃进行高温拉伸试验来评估机械强度的变化。

通过疲劳试验，测定了107次循环的疲劳极限应力。该阀由阀体、阀盖和保持架三部分组成。阀门零件的形状非常复杂，尤其是阀体部分又大又重。为了制造形状复杂的阀门，L-DED技术利用五轴结合数控加工。通过对阀门样机制造过程的介绍，验证了L-DED技术的商业适用性。通过与某商品铸件的射线检测结果对比，证实了产品的完整性。个别制造的阀门部件采用焊接方式组装。钨极氩弧焊(GTAW)采用沉积焊坡口38mm，每道最大厚度。在99.997% Ar保护气体中，流速为10~25L/min时，最大通径温度为175℃。结合电流(~200A)、电压(12V)和焊接速度(9~13cm/min)估算热输入为10~15kJ/cm。

结果与讨论

图1为使用L-DED方法进行制造后机械性能评估的试件和阀门项目。图1(a)为垂直于激光扫描方向的扫描法线(SN)方向上高堆叠的圆柱形试样。为了评估机械性能，这些试样分别是符合ASTM E8、E23和E466标准的拉伸和疲劳试样。当对这些试样进行拉伸和疲劳试验时，发现应力集中在增材制造过程中形成的层间边界处。这导致了机械性能的下降，从而导致整个试样的保守结果。在初步试验结果中，对平行于激光扫描方向的平面和垂直于激光扫描方向的平面采集的试样进行室温拉伸试验结果进行检验时，结果表明，垂直面试样的抗拉强度下降了约7-8%。(平行于扫描方向的UTS: 582.3MPa;垂直扫描方向:542.7MPa)。

图1 采用L-DED法制造后用于机械性能评估的试样和阀门项目：（a）垂直于激光扫描方向的扫描法向（SN）方向上叠高的圆柱形试样。（b）阀体，（c）阀盖和（d）采用L-DED法制造的阀笼。

图1(b)、(c)和(d)对应地显示了采用L-DED方法制造的三个阀门部件的阀体、阀盖和保持架。由于其尺寸和重量，图1(b)中的车身部件是最难制造的，而图1(c)和(d)中的阀盖和保持架部件则相对容易制造。图2显示了增材制造产品的拉伸性能。所有拉伸试样的拉伸方向与结构方向一致，垂直于激光扫描方向。图2(a)和(b)分别显示了根据温度评估屈服强度和抗拉强度的结果。通过对3个试样的对比，验证了增材制造试样的高温热处理效果。比较了预制、1100℃溶液退火(SA) 1小时和1100℃1100棒热等静压(HIP)试样。

图2 增材制造产品的拉伸性能:(a)屈服强度;(b)根据温度的拉伸强度结果。

SS316L是一种低碳合金，与SS316相比，碳含量小于0.02%。因此，固溶退火不是去除碳化物的强制性措施，否则会削弱合金的机械性能。如图2所示，屈服强度和拉伸强度均随温度逐渐降低，可以看出，在450°C和室温下，强度分别降低了33%和15%。与竣工试样相比，SA试样显示出约15%的强度降低效应，HIP处理试样显示出与其他试样类似的强度降低，尽管在图2（a）所示的100-250°C范围内强度没有变化。在图2（b）所示的抗拉强度评估结果中出现了类似的趋势，尽管由于热等静压，抗拉强度几乎没有变化，可以看出，只有1100°C高温热处理导致的强度降低。经过固溶退火和热等静压处理后，试样的塑性略有变化。例如，在室温下，竣工试样的伸长率为35.43%，而固溶退火试样的伸长率为45.24%，热等静压试样的伸长率为40.39%。

如图3所示，EBSD用于评估成品增材制造产品的微观结构。微观结构观察区域为1mm，对应于增材制造条件下的单层厚度。图3（a）显示了从扫描法线方向看的微观结构，图3（b）显示了从横向（TD）看的微观结构，TD同时垂直于扫描方向（SD）和扫描法线方向（SN））。在图3（a）中，根据激光扫描中心点的移动，晶粒排列具有类似于向左右扩展的三角形的形状，并且在较短侧晶粒尺寸约为20μm，纵横比接近1:10。证实了晶体的择优取向为扫描法向

图3 对已建增材制造产品的微结构进行EBSD分析的结果:(a)从扫描法线方向，(b)从横向方向。

图4显示了已建成的L-DED制造的SS316L试样在室温下的疲劳性能。疲劳试验方向也垂直于激光扫描方向，与拉伸试验一样。试验条件为循环载荷比为-1，频率为15 Hz，最大循环次数为107次，采用一般的长周期疲劳性能评价条件。根据评估数据，绘制了SN曲线，以评估107次循环时的疲劳极限。疲劳应力值在150-350 MPa范围内进行评估；五个试样断裂，其余试样继续进行107个循环或更多。根据使用SN曲线的分析，疲劳极限值估计约为202.6 MPa，这与商用SS316L在约200 MPa范围内的疲劳特性相似。

图4 L-DED制造的SS316L试件在室温下的疲劳性能。

图5显示了使用L-DED方法时阀体零件的制造过程。灰色表面为外表面，黄色平面为阀门内表面。主体分为三个部分，在这里表示为第1部分、第2部分和第3部分。主体部分的第1部分是第一个安装的部分，然后将该部分旋转90度。随后，依次制造了与流道相对应的零件2和零件3。图6详细描述了制造零件1的过程。如图6（a）所示，该过程分为两个过程，一级和二级，因为需要对阀门内的球形阀座进行数控加工，以保持流道的表面粗糙度。在进行二次加工之前，对图6（a）中箭头所示的阀座零件进行机加工，并堆放二次零件。用于创建主要部件和次要部件的实际程序分别如图6（b）和（c）所示。

图5 阀体零件的制造工艺采用L-DED方法。

图6 制造过程第1部分详细介绍:(a)制造过程分为两个过程:一级和二级。给出了制造(b)主要零件和(c)次要零件的实际过程。

图7为阀门产品第三部分的制造过程。从图7(a)中可以看出，流道的生成分为三个细分。这样做是为了继续进行数控加工，以确保流动路径内的适当表面粗糙度，如图6所示。根据流道的曲率和长度划分为三段，并在每个增材制造段后进行数控加工控制表面粗糙度。本设计实际制作的样机如图7(b)所示。

图7 阀门产品第3部分的制造工艺：（a）将生产的流道分为三个部分，（b）原型。

图8显示了SS316L材料的射线照相试验（RT）结果。图8（a）中的RT测量位置为①靠近图7中零件1和3的连接处。可以识别出一些可见的黑点；这些是金属试样内部存在缺陷或缺陷的证据。为了对结果进行定性比较，图8（b）、（c）和（d）显示了以相同比例测量的传统铸造材料（通过传统砂型铸造制造）中发现的各种缺陷的图像。图8（b）显示了在铸造过程中无法从模具中逸出的气体被截留时可以观察到的孔隙。图8（c）显示了铸造过程后产生的残余应力引起的收缩以及由此产生的缺陷形成。图8（d）显示了铸造过程中意外包含的砂或熔渣形成的缺陷形状。从这个比较中可以看出，使用当前的L-DED方法制造产品后，残余缺陷很小。

图8 SS316L材料的射线照相试验（RT）结果：（a）增材制造，L-DED，（b）铸造，气孔，（c）铸造，收缩，（d）铸造，砂和夹渣。

图9为阀体与其他流道连接部分法兰采用GTAW法焊接完成的样机。采用不同于现有铸件的基于粉末冶金的新型焊接工艺，在本体和法兰之间进行焊接。组装后的阀门重量30kg，长度300mm。尺寸精度和RT测试显示了良好的一致性，并计划对原型进行水力泄漏的机械性能测试、端载测试和地震测试。

图9 原型完成之间的焊接阀体和法兰。

总结

激光定向能沉积(L-DED)用于制造一个3英寸核安全一级阀门的阀体、阀盖和保持架部件。在这种情况下，通过室温/高温拉伸试验和疲劳试验来测量机械性能能力，并描述了制造原型所用的工艺。通过固溶退火等热处理，试件的强度略有降低，而塑性略有提高。无论热处理前后，试验温度对拉伸强度的影响均呈现恒定的趋势。结果表明，采用DED工艺制备的试样具有各向异性的织构微观结构，这与初步试验结果有良好的相关性。机身重量为30公斤，长度为300毫米，内部流道形状是最难制造的部件。该机床可采用L-DED五轴联动加工和数控加工，在尺寸精度、装配和连接方面均表现出良好的性能。

来源：Additive manufacture of 3 inch nuclear safety class 1 valve by laserdirected energy deposition，Journal of Nuclear Materials，doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.152812

参考文献：T.D. Ngo, et al.Additive manufacturing (3D printing): A review ofmaterials, methods, applications and challenges，Composites Part B,143 (2018), pp. 172-196，S.H. Huang, et al.Additivemanufacturing and its societal impact: a literature review，Int. J. Adv. Manuf.Technol., 67 (2013), pp. 1191-1203