CN113000839A - 一种6061铝合金3d打印试验堆燃料元件关键零部件的方法 - Google Patents

一种6061铝合金3d打印试验堆燃料元件关键零部件的方法 Download PDF

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杜江平
康泰峰
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Abstract

本发明属于核燃料元件制造技术领域，具体涉及一种6061铝合金3D打印试验堆燃料元件关键零部件的方法。细化参数范围：激光功率400W～450W、激光扫描速度1100mm/s～1200mm/s、激光扫描间距0.15～0.20mm，6061铝合金粉末铺粉厚度0.02～0.04mm；进行研究试验堆燃料元件关键零部件的三维模型建立，部分关键零部件具有悬空结构，当悬空部位长度大于2mm时，6061铝合金粉末无法支撑关键零部件，易导致成型失败，故设计支撑结构；对模型添加支撑结构处理后进行切片剖分，剖分厚度和6061铝合金粉末铺粉厚度一致，最后使用步骤一确定好的参数进行研究试验堆燃料元件关键零部件的激光增材制造；对关键零部件进行热处理。本发明制备出了符合技术指标要求的研究试验堆燃料元件关键零部件。

Description

一种6061铝合金3D打印试验堆燃料元件关键零部件的方法
技术领域
本发明属于核燃料元件制造技术领域，具体涉及一种6061铝合金3D打印试验堆燃料元件关键零部件的方法。
背景技术
研究试验堆燃料元件制造是燃料元件制造业的一个重要领域。研究试验堆元件是研究试验堆关键的组成部分，与堆芯的安全性、可靠性密切相关，其制造质量对于保证研究试验堆安全稳定运行至关重要。而目前传统工艺研制研究试验堆元件存在如下局限性：研究试验堆元件种类多、批量小、制造工艺复杂，外形结构复杂、尺寸精度要求高、传统工艺实现技术难度大，采用激光增材制造技术可以实现快速、精密地制造满足性能要求的研究试验堆燃料元件关键零部件，该发明属于核燃料元件制造领域，在相关领域均未见说明报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种6061铝合金3D打印试验堆燃料元件关键零部件的方法，解决试验堆燃料元件关键零部件制造研发周期长、难度高的难题，明确激光增材制造技术在试验堆燃料元件关键零部件制造方面应用的可行性，实现激光增材制造技术在核燃料元件研发领域的应用。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种6061铝合金3D打印试验堆燃料元件关键零部件的方法，包括以下步骤：
步骤一：细化参数范围：激光功率400W～450W、激光扫描速度1100mm/s～1200mm/s、激光扫描间距0.15～0.20mm，6061铝合金粉末铺粉厚度0.02～0.04mm；
步骤二：进行研究试验堆燃料元件关键零部件的三维模型建立，部分关键零部件具有悬空结构，当悬空部位长度大于2mm时，6061铝合金粉末无法支撑关键零部件，易导致成型失败，故设计支撑结构；
步骤三：对模型添加支撑结构处理后进行切片剖分，剖分厚度和6061铝合金粉末铺粉厚度一致，最后使用步骤一确定好的参数进行研究试验堆燃料元件关键零部件的激光增材制造；
步骤四：对关键零部件进行热处理。
所述的步骤二，支撑结构的激光成型工艺参数为：激光功率为300W、激光扫描间距为0.20mm、激光扫描速度为1400mm/s。
所述的步骤四，热处理方案为：500℃入水急冷固溶热处理、170℃保温4h时效处理。
本发明所取得的有益效果为：
通过使用激光增材制造技术制备研究试验堆燃料元件关键零部件，确定了研究试验堆燃料元件关键零部件的激光增材制造的工艺参数，建立了消除残余应力、改善研究试验堆燃料元件关键零部件力学性能的热处理工艺，最终制备出了符合技术指标要求的研究试验堆燃料元件关键零部件，解决了研究试验堆燃料元件关键零部件研发周期长、制造困难的问题。以6061铝合金为原料进行激光增材制造，确定了铺粉厚度、激光功率、激光扫描速度、扫描间距、铺粉厚度等工艺参数，制备出试验堆燃料元件关键零部件，建立了试验堆燃料元件关键零部件激光增材制造工艺。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明所述6061铝合金3D打印试验堆燃料元件关键零部件的方法包括以下步骤：
步骤一：通过正交试验开展6061铝合金粉末的增材制造工艺研究，细化参数范围：激光功率在400W～450W、激光扫描速度1100mm/s～1200mm/s、激光扫描间距0.15～0.20mm，6061铝合金粉末铺粉厚度为0.02～0.04mm。
步骤二：使用三维建模软件进行研究试验堆燃料元件关键零部件的三维模型建立，由于部分关键零部件结构复杂，具有悬空结构，当悬空部位长度大于2mm时，6061铝合金粉末无法支撑关键零部件，易导致成型失败，故对关键零部件设计了支撑结构，支撑结构的激光成型工艺参数为：激光功率为300W、激光扫描间距为0.20mm、激光扫描速度为1400mm/s。
步骤三：对模型添加支撑结构处理后进行切片剖分，剖分厚度和6061铝合金粉末铺粉厚度一致，最后使用步骤一确定好的6061铝合金粉末的增材制造工艺参数进行研究试验堆燃料元件关键零部件的激光增材制造。
步骤四：由于激光成型后关键零部件存在较大的应力，影响关键零部件的力学性能，因此对关键零部件进行了热处理工艺研究，确定了500℃入水急冷固溶热处理、170℃保温4h时效处理的热处理工艺方案。
实施例
步骤一：成型工艺试验显示，最佳关键零部件激光增材成型工艺参数为：激光扫描速度1200mm/s、扫描间距0.19mm、激光功率420W，铺粉厚度0.03mm；
步骤二：通过分析各参数对激光成型关键零部件的影响规律，确定支撑部分激光增材成型工艺参数为：激光功率为300W、激光扫描间距为0.20mm、激光扫描速度为1400mm/s；
步骤三：通过激光增材成型技术可以实现复杂结构关键零部件的制备，该过程包括三维实体建模、支撑建立、剖分处理、激光成型工序；
步骤四：确定激光增材成型后关键零部件的后处理为固溶热处理和时效热处理结合的工艺，可消除内应力，改善关键零部件性能，并便于后续线切割。

Claims (3)

1.一种6061铝合金3D打印试验堆燃料元件关键零部件的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：细化参数范围：激光功率400W～450W、激光扫描速度1100mm/s～1200mm/s、激光扫描间距0.15～0.20mm，6061铝合金粉末铺粉厚度0.02～0.04mm；
步骤二：进行研究试验堆燃料元件关键零部件的三维模型建立，部分关键零部件具有悬空结构，当悬空部位长度大于2mm时，6061铝合金粉末无法支撑关键零部件，易导致成型失败，故设计支撑结构；
步骤三：对模型添加支撑结构处理后进行切片剖分，剖分厚度和6061铝合金粉末铺粉厚度一致，最后使用步骤一确定好的参数进行研究试验堆燃料元件关键零部件的激光增材制造；
步骤四：对关键零部件进行热处理。
2.根据权利要求1所述的6061铝合金3D打印试验堆燃料元件关键零部件的方法，其特征在于：所述的步骤二，支撑结构的激光成型工艺参数为：激光功率为300W、激光扫描间距为0.20mm、激光扫描速度为1400mm/s。
3.根据权利要求1所述的6061铝合金3D打印试验堆燃料元件关键零部件的方法，其特征在于：所述的步骤四，热处理方案为：500℃入水急冷固溶热处理、170℃保温4h时效处理。
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