美國阿貢實(shí)驗(yàn)室證實(shí)3D打印不銹鋼在核反應(yīng)堆中前景廣闊

2025年9月29日，南極熊獲悉，美國能源部（DOE）阿貢國家實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)宣稱，利用X射線衍射和電子顯微鏡，系統(tǒng)研究了LPBF工藝制備的不銹鋼材料。相關(guān)成果聚焦于兩種關(guān)鍵合金：傳統(tǒng)的316H結(jié)構(gòu)鋼和新一代高性能A709不銹鋼。

阿貢國家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)家、兩項(xiàng)研究的合著者Xuan Zhang博士表示：“我們的研究不僅為3D打印合金的后續(xù)處理工藝提供了科學(xué)依據(jù)，也為增材制造核工業(yè)用鋼的結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。最重要的是，我們對3D打印鋼材的微觀機(jī)制有了更為深入的理解?！?br />

阿貢國家實(shí)驗(yàn)室LOGO

技術(shù)研究背景

在將3D打印不銹鋼應(yīng)用于核反應(yīng)堆之前，深入理解這種材料獨(dú)特的微觀機(jī)理與服役性能表現(xiàn)，是推動該技術(shù)走向工程應(yīng)用的關(guān)鍵前提。

不銹鋼因良好的耐高溫、高壓和抗輻射性能，長期以來一直是核工業(yè)的核心材料。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，激光粉末床熔合（LPBF）等增材制造工藝為核反應(yīng)堆關(guān)鍵部件的制造帶來了新的可能。然而，在大規(guī)模應(yīng)用之前，業(yè)界需要對3D打印鋼材的微觀結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能有更深入的了解。

3D打印316H不銹鋼在兩種熱處理工藝前（a）和后（b和c）的掃描透射電子顯微鏡圖像。紅色箭頭表示納米氧化物，它對鋼材的熱處理性能影響極大

獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)助力核反應(yīng)堆新材料研發(fā)

在LPBF增材制造過程中，激光束實(shí)現(xiàn)金屬粉末的逐層精確熔化與快速凝固，賦予材料獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)特征。研究發(fā)現(xiàn)，熱處理過程中材料通過“恢復(fù)”機(jī)制修復(fù)位錯，促進(jìn)再結(jié)晶，形成新的無應(yīng)變晶粒。值得注意的是，適量保留位錯有助于粒子沉淀，進(jìn)一步優(yōu)化材料性能。

其中，研究人員在針對LPBF技術(shù)打印的316H不銹鋼（一種廣泛使用的鍛造材料）的研究中，阿貢團(tuán)隊(duì)依托實(shí)驗(yàn)室的納米材料中心（CNM）和先進(jìn)光子源（APS）科研平臺，獲取了詳盡數(shù)據(jù)，首次系統(tǒng)關(guān)聯(lián)了材料的微觀結(jié)構(gòu)與拉伸強(qiáng)度、抗蠕變性等關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)。

3D打印并熱處理的709合金不銹鋼的透射電子顯微鏡圖像

另一項(xiàng)研究聚焦于A709，這是一種更新、更先進(jìn)的不銹鋼，專為高溫環(huán)境而設(shè)計(jì)，例如鈉快堆——新一代反應(yīng)堆系統(tǒng)，它運(yùn)行效率更高。在這項(xiàng)研究中，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員研究了采用LPBF技術(shù)打印的A709樣品，這是首次對該合金的增材制造形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

測試結(jié)果顯示，無論在室溫還是1022華氏度（550攝氏度）下，3D打印A709材料均表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)鍛造A709的拉伸強(qiáng)度。研究認(rèn)為，這主要?dú)w因于打印樣品中更高的初始位錯密度，促進(jìn)了熱處理過程中沉淀物的形成與分布。

Zhang博士補(bǔ)充道：“我們的研究為如何處理這些合金提供了實(shí)用的建議，但我相信我們最大的貢獻(xiàn)是對增材制造鋼的更深入的根本理解?！?br />
這兩項(xiàng)研究均由美國能源部核能辦公室先進(jìn)材料與制造技術(shù)項(xiàng)目資助。在CNM和APS開展的工作得到了美國能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室的支持。