第15卷第6期精密成形工程
2023年6月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING111
聚变堆包层第一壁缩比部件激光选区
熔化成形研究
汪志勇1,2，吴杰峰1,3，刘志宏1,3，马建国1,3,4，翟华5
（1.中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所，合肥 230031；2.中国科学技术大学，合肥 230026；3.特种焊接技术安徽省重点实验室，安徽淮南 232063；4.合肥综合性国家科学中心能源研究院，合肥 230031；5.合肥工业大学航空结构件成形制造与
装备安徽省重点实验室，合肥 230009）
摘要：目的研究激光选区熔化（SLM）成形第一壁缩比结构的组织性能。方法以316L粉末为原材料，运用Inspire软件对不同成形姿势下第一壁缩比结构的应力与变形情况进行数值模拟，选择最佳成形姿势进行SLM成形，以控制整体变形，并对成形零件进行显微组织观察与力学性能测试。结果实验结果表明，与立放和侧放2种成形姿势相比，平放时残余应力与变形最小，最大残余应力为29.68 MPa，最大变形量为
0.29 mm。成形件微观组织呈现各向异性，x–y方向主要为粗大的胞状晶组织，z–x方向为细长的柱状晶组织。
力学测试结果显示，x–y方向的抗拉强度为672.1 MPa，伸长率为48.2%，冲击韧性为100.6 J/cm2；z–x方向的抗拉强度为646.9 MPa，伸长率64.4%，冲击韧性为136.3 J/cm2。结论组织的差异性主要是由扫描工艺与熔池内部复杂的温度场引起的，微观结构的各向异性会造成力学性能的差异，x–y方向的强度高于z–x方向的，z–x方向上的塑性韧性更高。
关键词：第一壁；激光选区熔化；数值模拟；微观组织；力学性能
DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.06.014
中图分类号：TG142.1  文献标识码：A    文章编号：1674-6457(2023)06-0111-09
Selective Laser Melting of Blanket First Wall Reduced Scale
Component for Fusion Reactor
WANG Zhi-yong1,2, WU Jie-feng1,3, LIU Zhi-hong1,3, MA Jian-guo1,3,4, ZHAI Hua5
(1. Institute of Plasma Physics, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China;
2. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China;
3. Anhui Provincial Key Laboratory of Special Welding
Technology, Huainan 232063, China; 4. Institute of Energy, Hefei Comprehensive National Science Center, Hefei 230031, China;
收稿日期：2022–12–11
Received：2022-12-11
基金项目：等离子体所科学基金（DSJJ–2021–06）；中央高校基本科研业务费专项资金（PA2022GDSK0058）
Fund：Science Foundation of Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences (DSJJ-2021-06); Fundamental Research Funds for the Central Universities of China (PA2022GDSK0058)
作者简介：汪志勇（1998—），男，博士生，主要研究方向为金属激光增材制造。
Biography：WANG Zhi-yong (1998-), Male, Doctoral candidate, Research focus: laser additive manufacturing of metal.
通讯作者：马建国（1986—），男，博士，副研究员，主要研究方向为特种焊接技术
Corresponding author：MA Jian-guo(1986-), Male, Doctor, Associate researcher, Research focus: special welding technology. 引文格式：汪志勇, 吴杰峰, 刘志宏, 等. 聚变堆包层第一壁缩比部件激光选区熔化成形研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(6): 111-119.
WANG Zhi-yong, WU Jie-feng, LIU Zhi-hong, et al. Selective Laser Melting of Blanket First Wall Reduced Scale Component for Fusion Reactor[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(6): 111-119.
112精密成形工程 2023年6月
5. Anhui Province Key Lab of Aerospace Structural Parts Forming Technology and Equipment, HFUT, Hefei 230009, China)
ABSTRACT: The work aims to investigate the microstructure and properties of the first wall reduced scale structure formed by selective laser melting. The stress and deformation of the first wall reduced s
cale structure under different forming postures were subject to numerical simulation with 316L powder by Inspire software. The best forming posture was selected for SLM to con-trol the overall deformation, and the microstructure observation and mechanical properties test of the formed parts were carried out. The experimental results indicated that the residual stress and deformation were the smallest under flat placement compared with those under vertical and side placement, and the maximum residual stress and deformation could reach 29.68 MPa and 0.29 mm, respectively. The main microstructure of the formed parts presented anisotropic coarse cellular crystal in x-y direction and slender columnar crystal in z-x direction. The mechanical test results showed that tensile strength, elongation and impact tough-ness in x-y direction were up to 672.1 MPa, 48.2% and 100.6 J/cm2, respectively and 646.9 MPa, 64.4%, 136.3 J/cm2 in z-x di-rection. The difference of microstructure is mainly caused by the scanning process and complex temperature field of molten pool.
The anisotropy of microstructure results in different mechanical properties and the strength in x-y direction is higher than that in z-x direction, while the higher plasticity and toughness are exhibited in z-x direction.
KEY WORDS: first wall; selective laser melting; numerical simulation; microstructure; mechanical properties
能源是推动社会发展的主要驱动力，现阶段能源紧缺问题日益严峻，对社会经济的可持续发展造成了极大挑战。核聚变堆因具备燃料充足、安全、清洁等优势被认为是未来的理想清洁能源，也是彻底解决人类能源问题的最佳途径[1]。为了解决国际热核聚变试验堆（International Thermonuclear Experiment Reac-tor，ITER）在未来核聚变电站（Fusion Power Plant，FPP）建设中的部分难题，中国自主研制了新一代超导托卡马克装置——中国聚变工程试验堆（Chinese Fusion Engineering Test Reactor，CFETR）[2]。聚变堆试验包层模块（Test Blanket Module，TBM）作为聚变堆主机的核心部件，能够实现氚增殖、能量转换与辐射屏蔽等功能[3-4]。第一壁（First Wall，FW）部件处在聚变反应堆中子流最大的位置，直面等离子体，其复杂的几何形状以及苛刻的服役环境要求第一壁结构必须具有高精度、高性能，传统的制造方法需要多道加工工序，包括熔焊、热等静压（Hot Isostatic Pressing，HIP）扩散连接、弯曲成形及机加工与热处理等，工艺复杂、加工难度大且成本高，难以实现第一壁结构件的整体制造[5-6]。
增材制造技术（Additive Manufacturing，AM）具有材料利用率高、制造周期短、可实现复杂形状零件的制造等优势[7]，有望突破传统制造的技术瓶颈，实现第一壁结构的精密成形。激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）技术是一种基于铺粉增材的粉末床熔化技术，在结构精度、表面粗糙度及内部缺陷控制等方面具有较强竞争力，适合内部流道的加工制造。目前激光选区熔化技术可广泛应用于各种材料中，如钛合金[8-9]、铝合金[10-11]、镍基高温合金[12-13]、钨合金[14-15]和铁基合金[16-
17]等。纳瓦拉大学Ordas等[18]利用SLM与热等静压技术试制了具有冷却通道的聚变堆TBM第一壁的简化模型，选用了与RAFM钢性能相似的9Cr–1MO–V马氏体钢进行成形，其致密度达99.4%。瑞典斯德哥尔摩大学Zhong 等[19]首次尝试用SS316L不锈钢粉末为原材料，将SLM与电子束熔化（Electron Beam Melting，EBM）技术应用于TBM第一壁复杂结构件，通过对SLM工艺参数进行优化，解决了冶金缺陷，制得了近乎全致密的试样，成功实现了TBM第一壁的一体化成形，且成形尺寸精度较高，并对成形试样的冶金缺陷、微观组织以及力学性能进行了表征，结果表明，只有少量孔隙存在于试样内部，且表面粗糙度较低、成形质量良好。以上结果充分证实了SLM技术在聚变堆TBM第一壁结构部件上应用的可行性[19]。
为了探索更优越的FW制造设计方案，研究激光选区熔化一体化成形的工艺方法与成形后的材料性能，本文以316L粉末为原材料，通过SLM技术实现了第一壁缩比部件的高精度高性能制造。在SLM成形前进行工艺仿真，利用Inspire软件分析不同成形姿势对结构应力与变形的影响，模拟优化工艺参数在不同成形姿势下的温度场与应力–应变场。随后对成形件进行微观组织表征与力学性能测试，分析微观结构特征，以期为未来聚变堆包层及其他部件的SLM 研究与应用提供理论指导。
1 有限元模型的建立
以聚变堆第一壁缩比部件为研究对象，缩比结构的三维尺寸为60 mm×50 mm×50 mm，内部圆形流道截
面半径为3 mm，第一壁缩比部件如图1所示。选择Inspire软件材料库中现有的316L定义第一壁缩比三维模型，其热物理参数如表1所示，热膨胀系数与弹性模量随温度变化曲线如图2所示。主要工艺仿真参数如下：扫描方式为按层扫描，激光功率为270 W，
第15卷  第6期 汪志勇，等：聚变堆包层第一壁缩比部件激光选区熔化成形研究
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扫描速度为960 mm/s ，层厚为40 μm ，扫描间距为100 μm ，粉末吸收率为10%，冷却时间为150 s 。本文采用弹塑性材料本构模型，模型网格尺寸设置为1 mm ，成形姿势采用平放、立放和侧放3种，如图
3所示。激光选区熔化是涉及热传导与热辐射等传热过程的一个复杂熔化–凝固过程，必须通过“热−固”耦合法分析成形过程中沉积材料的温度分布以及应力和变形的演变过程，该类模型采用双椭球体热源模型，同时忽略内部熔池的流动和对流传热，求解方程
可采用拉格朗日算法，该算法控制方程数量少、求解效率高，适合结构部件的模拟分析，主要关注和求解成形后的翘曲变形与开裂等问题，拉格朗日算法如式（1）—（3）所示[20]。
平衡方程：0σij i
x ∂
=∂ (1)
本构方程：e p T P
(,,,,,etc.)ij ij ijkl ij ij ij ij E σσεεεε= (2)
边界条件：u
i i u u Γ= (3)
图1  第一壁缩比部件
Fig.1 First wall reduced scale component: a) model; b) structure
表1  316L 热物理性能
Tab.1 Thermal physical properties of 316L
Density/ (g·cm −3)
Melting point/
K
Thermal conductivity/
(W·m −1·K −1)
Heat capacity/ (J·kg −1·K −1)
Emissivity Poisson ratio
7.9 1 723 16.2
600
0.9 0.3
图2  热膨胀系数（a ）与弹性模量（b ）随温度变化曲线
Fig.2 Curves of thermal expansion coefficient (a) and elastic modulus (b) with temperature
图3  成形姿势
Fig.3 Forming postures: a) flat placement; b) vertical placement; c) side placement
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精  密  成  形  工  程 2023年6月
式中：σij 为应力；E ijkl 为材料弹性张量系数；e
ij
ε为弹性应变；p ij ε为塑性应变；T ij ε为热应变；P
ij ε为与
相变相关应变；i u 为位移；i u 为给定的边界位移。
2  实验
reactor软件2.1  材料与设备
以氩气雾化法制备的316L 球形粉末为实验材料，粉末平均粒径约为31.7 μm （粒径范围为15~ 53 μm ，符合正态分布），其化学成分如表2所示。在扫描电子显微镜下观察粉末形态，如图4所示，可以看到，球形度达87.2%，并且有少量附着在大颗粒上的卫星粉，卫星粉对粉末流动性有显著影响，316L 粉末经100 ℃/2 h 烘干后用于SLM 成形。激光选区熔化成形采用北京易加三维科技有限公司生产的EP–M260设备，搭载500 W 光纤激光器。
表2  316L 粉末的化学成分
Tab.2 Chemical composition of 316L powder  wt.%
Fe Cr Ni Mo Si Mn Bal. 16.5 12.7 2.38 0.54 0.47
图4  316L 粉末形态 Fig.4 316L powder morphology
2.2  方法
通过Inspire 软件中Print 3D 模块对相同工艺参数、不同成形姿势下的温度场与应力场进行仿真，选用最佳成形姿势进行成形。SLM 工艺参数由前期工艺实验获得，主要参数与仿真参数保持一致，扫描方式为长直线单向扫描（Zigzig ），每层扫描结束后转动
57°，SLM 扫描策略如图5所示。为研究SLM 成形试样在z –x 方向（构建平面）和x –y 方向（垂直构建平面）上的各向异性，用于微观组织与力学性能分析的试样均从这2个方向进行取样。选用OXFORD C–NANO 型电子背散射衍射（EBSD ）系统配合SIGMA300型场发射扫描电子显微镜对腐蚀（腐蚀剂：质量分数为5%的FeCl 3盐酸溶液）后的成形试样进行EBSD 晶粒取向分析，扫描步长为1 μm ，用于EBSD 观察的试样在机械打磨抛光后进行4 h 振动抛光以去除表面应力层与微裂纹。
图5  SLM 扫描策略
Fig.5 Scanning strategy of SLM
准静态单轴室温拉伸试验在SIMADZU 型万能拉伸试验机上以0.002 s −1的恒应变率进行，拉伸试样取自第一壁成形缩比件，两端带螺纹的棒状拉伸试样
如图6所示，中间段尺寸为Φ3 mm×18 mm 。夏比冲击试验在ZBC2302–CE 型摆锤式冲击试验机上进行，试样尺寸如图7所示，采用QYJ4201型自动拉床加工45° V 形缺口，缺口深度为2 mm ，通过CST–50夏比投影仪对缺口尺寸公差进行标定。
图6  棒状拉伸试样
Fig.6 Size of rod tensile specimens
图7  冲击试样尺寸
Fig.7 Size of impact specimens
3  结果与分析
3.1  成形姿势对应力变形的影响
SLM 成形过程中的热量传递主要依靠热传导、
第15卷第6期汪志勇，等：聚变堆包层第一壁缩比部件激光选区熔化成形研究115
热对流与热辐射3种方式。热传导可通过导热微分方程计算热通量；热对流遵循牛顿冷却定律，与热流密度和对流系数有关；热辐射的热流率则采用Stefan– Boltzmann方程计算[21]。第一壁缩比成形件通过与基板、环境进行热量交换以降低温度，不同位置的冷却速率存在差异，这会导致局部应力过大，最终表现为发生变形[22]。通过Print 3D对SLM过程进行仿真，可获得整个“成形—冷却—回弹”过程中构件任
意位置上内应力、温度与变形随仿真步的变化曲线。去除支撑结构后第一壁缩比成形件3种成形姿势（平放、立放与侧放）下的米塞斯等效应力与应变结果如图8所示（其余工艺参数完全相同）。可以看出，在打印过程结束后，平放时最大应力为29.68 MPa、最大变形为0.29 mm，立放时最大应力为35.77 MPa、最大变形为0.33 mm，侧放时最大应力为93.75 MPa、最大变形为0.64 mm，最大变形往往发生在2个侧壁面上。根据模拟结果可知，侧放时变形最大，这可能是由成形过程中的应力集中所引起的，由于支撑面积较大且强度低，冷却完成去除支撑结构后，结构内应力会因约束解除而发生变化，U形内壁上端出现回弹现象，导致变形增大。采用3种成形姿势进行FW缩比部件的SLM成形，其打印精度如图9所示，平放、立放、侧放3种成形姿势的打印误差分别为0、−0.1、−0.6 mm，与模拟的变形结果非常接近，均为平放时变形最小。
冷却后不同成形姿势下的温度场如图10所示。可以看出，在冷却150 s后，平放姿势下结构最高温度相对最低（1 124 K），产生的残余热应力较低，零件整体变形最小。与平放相比，立放与侧放在U形内壁上添加了网格支撑与实体支撑，2种成形姿势下零件的内侧壁都易产生较大变形，这是由于支撑结构与侧壁大面积接触，热量很难通过支撑结构完全传递到基板，造成热量累积，应力较大、变形严重[21,23]。在侧放时，为保证良好的成形，流道内部也需要添加支撑结构（如图11所示），内部支撑难以去除且打印精度无法保证，综合考虑选用平放姿势实现第一壁缩比部件的一体化成形。
成形过程中温度场呈分层变化主要与逐层打印的成形特性有关，随着材料逐层打印的进行，下层粉末快
速熔化并冷却，上层粉末通过热传导对下层粉末加热造成热量累积，从而造成构件顶部和底部有较大的温差。打印完成后热应力较大，变形受到基板与支
图8  不同成形姿势下的数值模拟
Fig.8 Numerical simulation under different forming postures: a) flat placement: stress filed; b) flat placement: strain filed; c) vertical placement: stress filed; d) vertical placement: strain filed; e) side placement: stress filed; f) side placement: strain filed

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