【摘 要】
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受控核聚变因其固有的核安全性、可用燃料的区域广泛性和持久性以及对环境保护的优越性,被认为是解决人类能源问题的最佳途径,而以托卡马克装置为代表的磁约束核聚变被认为是目前最有前途的受控核聚变方式,其中试验包层块模块的第一壁结构件直接面对等离子体,被认为是聚变堆最为关键的部件之一。低活化铁素体马氏体(RAFM)钢因其固有的几何稳定性、高热导率、较低的热膨胀和辐照肿胀系数等优良的热物理特性,并且其低活化成
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受控核聚变因其固有的核安全性、可用燃料的区域广泛性和持久性以及对环境保护的优越性,被认为是解决人类能源问题的最佳途径,而以托卡马克装置为代表的磁约束核聚变被认为是目前最有前途的受控核聚变方式,其中试验包层块模块的第一壁结构件直接面对等离子体,被认为是聚变堆最为关键的部件之一。低活化铁素体马氏体(RAFM)钢因其固有的几何稳定性、高热导率、较低的热膨胀和辐照肿胀系数等优良的热物理特性,并且其低活化成分适合于商业化生产,被普遍认为是聚变堆结构材料的首选。第一壁是直接面对等离子体部件,必须在其内部设计复杂的氦气冷却通道,以降低第一壁表面的热负载。然而,传统制造方法流程繁琐、耗材耗时、成本高,选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)增材制造技术有望突破传统制造方法的瓶颈问题,实现复杂结构件的一体化打印成型。本文以西南核物理研究所自主研发的RAFM钢的一种CLF-1钢为原材料,采用氩气雾化的方法制备符合SLM成形技术的球形粉末,并通过SLM工艺参数的优化制备出了高尺寸精度、高表面质量以及近全致密的CLF-1钢试样。研究了SLM工艺参数,包括激光功率、扫描速度、激光能量密度对试样表面粗糙度、相对致密度以及硬度的影响,研究了不同激光能量密度以及不同扫描策略下SLM成形CLF-1钢的物相、显微组织以及力学性能,评价其拉伸过程中的断裂机制,分析拉伸断口形貌,就晶粒结构及其大小判断其断裂失效机理,建立微观组织与力学性能、断裂失效机理之间的内在联系。通过优化SLM工艺参数,SLM成形CLF-1钢兼具高强度(屈服强度1053MPa)与高韧性(延伸率16.9%),其综合强韧性显著优于目前所有文献报道的RAFM钢。通过对比激光能量密度为98J/mm3(S98)以及209J/mm3(S209)的微观组织和力学性能,揭示了SLM成形CLF-1钢的强韧化基理,其高强度取决于细晶和细小马氏体片层,高塑性得益于非均质多模组织对晶粒位错主导的加工硬化能力的改善。通过研究SLM扫描策略对微观组织和力学的影响,通过对两组不同扫描策略试样织构强度、晶粒大小与结构以及第二相分布等的分析对比,其力学性能差异的原因更多归结于不同扫描策略下成形的晶粒大小及晶粒结构的不同,其屈服强度的提高主要是由于晶粒的细化,韧性的提高则与其晶粒结构的不同有关,同时揭示该两种不同扫描策略下试样在受力形变时存在沿晶与穿晶两种不同的断裂行为。
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