美国阿贡实验室证实3D打印不锈钢在核反应堆中前景广阔

 2025年9月29日，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室研究团队宣称，利用X射线衍射和电子显微镜，系统研究了LPBF工艺制备的不锈钢材料。相关成果聚焦于两种关键合金：传统的316H结构钢和新一代高性能A709不锈钢。
 

      阿贡国家实验室材料科学家、两项研究的合著者Xuan Zhang博士表示：“我们的研究不仅为3D打印合金的后续处理工艺提供了科学依据，也为增材制造核工业用钢的结构性能优化奠定了理论基础。最重要的是，我们对3D打印钢材的微观机制有了更为深入的理解。”

技术研究背景
      在将3D打印不锈钢应用于核反应堆之前，深入理解这种材料独特的微观机理与服役性能表现，是推动该技术走向工程应用的关键前提。不锈钢因良好的耐高温、高压和抗辐射性能，长期以来一直是核工业的核心材料。随着3D打印技术的不断发展，激光粉末床熔合（LPBF）等增材制造工艺为核反应堆关键部件的制造带来了新的可能。然而，在大规模应用之前，业界需要对3D打印钢材的微观结构以及力学性能有更深入的了解。
 

独特微观结构助力核反应堆新材料研发
     在LPBF增材制造过程中，激光束实现金属粉末的逐层精确熔化与快速凝固，赋予材料独特的微观结构特征。研究发现，热处理过程中材料通过“恢复”机制修复位错，促进再结晶，形成新的无应变晶粒。值得注意的是，适量保留位错有助于粒子沉淀，进一步优化材料性能。
    其中，研究人员在针对LPBF技术打印的316H不锈钢（一种广泛使用的锻造材料）的研究中，阿贡团队依托实验室的纳米材料中心（CNM）和先进光子源（APS）科研平台，获取了详尽数据，首次系统关联了材料的微观结构与拉伸强度、抗蠕变性等关键力学指标。
 

      另一项研究聚焦于A709，这是一种更新、更先进的不锈钢，专为高温环境而设计，例如钠快堆——新一代反应堆系统，它运行效率更高。在这项研究中，阿贡国家实验室的研究人员研究了采用LPBF技术打印的A709样品，这是首次对该合金的增材制造形式进行实验研究。
    测试结果显示，无论在室温还是1022华氏度（550摄氏度）下，3D打印A709材料均表现出优于传统锻造A709的拉伸强度。研究认为，这主要归因于打印样品中更高的初始位错密度，促进了热处理过程中沉淀物的形成与分布。Zhang博士补充道：“我们的研究为如何处理这些合金提供了实用的建议，但我相信我们最大的贡献是对增材制造钢的更深入的根本理解。”