一种提高SLM成形ODS-RAFM钢强塑性的热处理方法

本发明属于增材制造ods-rafm钢领域，具体涉及一种提高slm成形ods-rafm钢强塑性的热处理方法。

背景技术：

1、包层部件是聚变堆产热、换热和屏蔽的关键功能区域，包层结构材料需要在极端高温和强辐射环境下长期工作。在这样的条件下，材料可能会经历反复的热循环和辐射损伤，如果材料的塑性不足，容易出现脆性断裂或不可逆的变形，影响包层的完整性和功能。因此，包层结构材料要求具有较好的强塑性，从而保证在服役过程中承受一定的应力和应变作用后，还能够长时间的保持结构的稳定性和可靠性，进而确保聚变堆的安全运行。

2、目前，纳米氧化物弥散强化的低活化铁素体/马氏体(ods-rafm)钢，因其卓越的高温性能、抗辐射损伤能力和低活化特性而备受关注，被认为是聚变堆包层最佳的候选结构材料。然而，包层结构复杂，对制造技术和材料性能同时提出巨大的挑战。以激光选区熔化(slm)为代表的增材制造技术，可以实现复杂几何形状的生产。尽管slm制造ods-rafm钢可以显著提升生产效率和设计灵活性，但打印ods-rafm钢还存在强塑性不匹配、力学性能各向异性等突出问题。具体来说，打印过程中形成的柱状晶，以及可能形成的随机缺陷等问题，导致材料在局部区域内塑性不足，增加了脆性断裂的风险。强塑性的不足不仅限制了ods-rafm钢在极端条件下的应用，还可能影响包层整体的可靠性。因此，需要进行适当的热处理来调控非平衡凝固的组织，改善ods-rafm钢的力学性能。

3、目前，针对ods-rafm钢的热处理工艺，主要包括正火、回火、淬火和退火处理。通常，正火和淬火是在奥氏体转变结束温度(ac3)以上保温一段时间，随后通过空冷和水冷的方式冷却至室温。对于回火和退火，通常是在奥氏体转变开始温度(ac1)以下保温一定的时间，通过空冷的方式，降低淬火的内应力并恢复ods-rafm钢的塑性。因此，为进一步拓展slm成形ods-rafm钢的应用范围，亟需开发一种适用于增材制造ods-rafm钢的热处理方案，改善ods-rafm钢的强塑性，以确保其能够满足聚变堆包层对结构材料的高要求。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种提高slm成形ods-rafm钢强塑性的热处理方法，解决了现有技术中的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种提高slm成形ods-rafm钢强塑性的热处理方法，包括以下步骤：

4、采用ods-rafm钢粉末，利用粉末床熔融技术制造ods-rafm钢零部件；

5、将所得的ods-rafm钢零部件依次进行正火热处理和碳分配热处理。

6、进一步地，所述ods-rafm钢零部件制造采用fs271m设备，其打印工艺参数为：激光功率360～400w，扫描速度为600～800mm/s，搭接间距为80～90μm，层厚为30μm。

7、进一步地，打印的扫描方式为zigzag形。

8、进一步地，所述正火热处理温度为1050～1100℃，保温1h。

9、进一步地，正火热处理过程中，采用空冷模式冷却至室温。

10、进一步地，所述碳分配热处理温度为450～550℃，保温时间为3～5min。

11、进一步地，碳分配热处理过程中，采用水冷模式冷却至室温。

12、进一步地，ods-rafm钢粉末的制备过程包括：

13、步骤1，根据rafm钢的成分，采用气体雾化制粉技术，在惰性气体保护的氛围中均匀熔炼，随后在压力作用下，金属液滴破碎凝固成rafm钢粉末；

14、步骤2，将预先设计好的多种可溶性无机盐水合物作为前驱体，溶解在溶剂中，然后混合均匀形成的溶胶，并发生水解反应和缩聚反应，形成纳米尺度的多元纳米相；随后调控ph、温度形成凝胶，最后煅烧获得多元纳米氧化物。

15、步骤3，采用静电吸附技术将多元纳米氧化物引入至rafm钢粉末中，制备得到ods-rafm钢粉末；

16、进一步地，所述步骤3的具体流程为：使用表面活性剂在c2h5oh溶液中分散多元纳米氧化物，随后添加nh3·h2o调节溶液呈弱碱性；在c2h5oh溶液中分散rafm钢粉末，使用hcl调节溶液呈弱碱性；随后混合以上两种溶液并搅拌，最后烘干形成待用的ods-rafm钢粉末。

17、进一步地，ods-rafm钢粉末中，多元纳米氧化物的添加质量分数为0.6～1.0％。

18、一种ods-rafm钢零部件，采用上述的一种提高slm成形ods-rafm钢强塑性的热处理方法处理得到。

19、本发明的有益效果：

20、1、本发明通过对ods-rafm钢进行正火处理，消除沉积态形成的柱状晶组织并获得铁素体和马氏体混合的微观组织；随后通过碳分配热处理，获得过渡性碳化物析出相；通过在基体中形成的两种析出相的弥散强化、淬火组织的细晶强化和位错强化、以及部分合金的固溶强化，实现了强度和塑性共同提升的ods-rafm钢。

21、2、本发明采用溶胶-凝胶法制备出多元纳米氧化物，获得了纳米级氧化物颗粒的同时，也制备出热稳定性更好的纳米相，延缓了纳米颗粒在激光熔池中的粗化速率。

22、3、本发明采用静电吸附技术将多元纳米氧化物粉末引入到rafm钢粉末表面，其目的是不破坏气体雾化制造的rafm钢基体粉末球形度，从而获得高流动性ods-rafm钢粉末，为抑制打印缺陷的形成提供了高质量的原材料粉末。

23、4、本发明采用的正火温度和时间，可以充分保证沉积态形成的柱状晶组织消失，并获得铁素体和马氏体组织占比接近1：1的正火组织。生成一定量的铁素体组织，有利于碳分配过程中马氏体组织中过饱和的碳元素扩散至铁素体中形成过渡性碳化物。

24、5、本发明采用的碳分配热处理温度适中，过低的温度，碳原子扩散和析出受阻，无法形成过渡性碳化物；过高的温度，碳原子析出相尺寸增长迅速，不利于强度的提升。

技术特征：

1.一种提高slm成形ods-rafm钢强塑性的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种提高slm成形ods-rafm钢强塑性的热处理方法，其特征在于，所述ods-rafm钢零部件制造采用fs271m设备，其打印工艺参数为：激光功率360～400w，扫描速度为600～800mm/s，搭接间距为80～90μm，层厚为30μm。

3.根据权利要求2所述的一种提高slm成形ods-rafm钢强塑性的热处理方法，其特征在于，打印的扫描方式为zigzag形。

4.根据权利要求1所述的一种提高slm成形ods-rafm钢强塑性的热处理方法，其特征在于，所述正火热处理温度为1050～1100℃，保温1h。

5.根据权利要求4所述的一种提高slm成形ods-rafm钢强塑性的热处理方法，其特征在于，正火热处理过程中，采用空冷模式冷却至室温。

6.根据权利要求1所述的一种提高slm成形ods-rafm钢强塑性的热处理方法，其特征在于，所述碳分配热处理温度为450～550℃，保温时间为3～5min。

7.根据权利要求6所述的一种提高slm成形ods-rafm钢强塑性的热处理方法，其特征在于，碳分配热处理过程中，采用水冷模式冷却至室温。

8.根据权利要求1所述的一种提高slm成形ods-rafm钢强塑性的热处理方法，其特征在于，ods-rafm钢粉末的制备过程包括：

9.根据权利要求8所述的一种提高slm成形ods-rafm钢强塑性的热处理方法，其特征在于，ods-rafm钢粉末中，多元纳米氧化物的添加质量分数为0.6～1.0％。

10.一种ods-rafm钢零部件，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的一种提高slm成形ods-rafm钢强塑性的热处理方法处理得到。

技术总结
本发明公开一种提高SLM成形ODS‑RAFM钢强塑性的热处理方法，属于增材制造ODS‑RAFM钢领域；一种提高SLM成形ODS‑RAFM钢强塑性的热处理方法包括：采用ODS‑RAFM钢粉末，利用粉末床熔融技术制造ODS‑RAFM钢零部件；将所得的ODS‑RAFM钢零部件依次进行正火热处理和碳分配热处理；通过对沉积态ODS‑RAFM钢进行正火处理，消除快速凝固过程中形成的柱状晶组织并获得铁素体和马氏体混合的微观组织；随后采用碳分配热处理，获得过渡性碳化物析出相；通过在基体中形成两种析出相产生的弥散强化、淬火组织的细晶强化和位错强化、以及部分合金元素的固溶强化，实现了强度和塑性共同提升的ODS‑RAFM钢。

技术研发人员：姜志忠,陈伟,贾寒冰,曹海波,郁杰
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2025/2/13