阅读说明：本技术 一种锆合金格架激光增材制造方法 (Zirconium alloy framework laser additive manufacturing method ) 是由 郝若彤 刘文涛 李宗书 王虹 赵瑞瑞 隋政 杜江平 董秋实 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明属于核燃料元件制造技术领域,具体涉及一种锆合金格架激光增材制造方法。建立格架的三维模型,对格架的镂空部分设计支撑结构,进行切片剖分,进行锆合金格架的激光增材制造；对制得的格架进行热处理。锆合金格架激光增材制造的参数范围：激光功率200W～250W、激光扫描速度1000mm/s～1100mm/s、激光扫描间距0.08～0.12mm,锆合金粉末铺粉厚度为0.03～0.05mm。支撑结构的激光成型工艺参数为：激光功率为100W、激光扫描间距为0.11mm、激光扫描速度为1300mm/s。制备出了符合技术指标要求的锆合金格架,解决了格架研发周期长、制造困难的问题。(The invention belongs to the technical field of nuclear fuel element manufacturing, and particularly relates to a zirconium alloy grid laser additive manufacturing method. Establishing a three-dimensional model of the framework, designing a support structure for the hollow part of the framework, slicing and subdividing, and performing laser material increase manufacturing on the zirconium alloy framework; and carrying out heat treatment on the manufactured grillwork. The parameter range of the zirconium alloy grid frame laser additive manufacturing is as follows: the laser power is 200W-250W, the laser scanning speed is 1000 mm/s-1100 mm/s, the laser scanning interval is 0.08-0.12 mm, and the powder spreading thickness of the zirconium alloy powder is 0.03-0.05 mm. The laser forming technological parameters of the supporting structure are as follows: the laser power was 100W, the laser scanning pitch was 0.11mm, and the laser scanning speed was 1300 mm/s. The zirconium alloy grillwork meeting the technical index requirements is prepared, and the problems of long development cycle and difficult manufacturing of the grillwork are solved.)

一种锆合金格架激光增材制造方法

技术领域

本发明属于核燃料元件制造技术领域，具体涉及一种锆合金格架激光增材制造方法。

背景技术

定位格架是燃料组件的重要组成部分，作为燃料组件中唯一与燃料棒接触的部件，其结构不仅需要保证燃料棒在堆芯中的定位，保证燃料组件的结构完整，还具有提升燃料组件热工性能等作用。但定位格架结构复杂，对制造工艺要求高，若使用常规制造手段，需要进行冲压、切割、焊接等若干复杂的工序才能完成格架的制造，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一体化定位格架，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锆合金格架激光增材制造方法，开展激光增材制造技术制备全锆合金格架工艺探索研究，解决燃料组件格架制造研发周期长、难度高的难题，明确增材制造技术在格架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：

一种锆合金格架激光增材制造方法，建立格架的三维模型，对格架的镂空部分设计支撑结构，进行切片剖分，进行锆合金格架的激光增材制造；对制得的格架进行热处理。

锆合金格架激光增材制造的参数范围：激光功率200W～250W、激光扫描速度1000mm/s～1100mm/s、激光扫描间距0.08～0.12mm，锆合金粉末铺粉厚度为0.03～0.05mm。

支撑结构的激光成型工艺参数为：激光功率为100W、激光扫描间距为0.11mm、激光扫描速度为1300mm/s。

剖分厚度和锆合金粉末铺粉厚度一致。

热处理具体为：520℃保温60min后随炉冷却。

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锆合金格架，确定了锆合金格架的激光增材制造的工艺参数，建立了消除残余应力、改善锆合金格架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锆合金格架，解决了格架研发周期长、制造困难的问题。

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。

一种锆合金格架激光增材制造方法步骤如下：

1)通过正交试验开展锆合金粉末的增材制造工艺研究，细化锆合金粉末增材制造的参数范围：激光功率在200W～250W、激光扫描速度1000mm/s～1100mm/s、激光扫描间距0.08～0.12mm，锆合金粉末铺粉厚度为0.03～0.05mm。

2)使用三维建模软件进行格架的三维模型建立，由于格架具有许多镂空结构，当悬空部位长度大于2mm时，锆合金粉末无法支撑格架，易导致成型失败，故对格架设计了支撑结构，支撑结构的激光成型工艺参数为：激光功率为100W、激光扫描间距为0.11mm、激光扫描速度为1300mm/s。

3)对模型添加支撑结构处理后进行切片剖分，剖分厚度和锆合金粉末铺粉厚度一致，最后使用步骤2确定好的锆合金粉末的增材制造工艺参数进行锆合金格架的激光增材制造。

4)由于激光成型后格架存在较大的应力，影响格架的力学性能，因此对步骤3制得的格架进行了热处理工艺研究，确定了520℃保温60min后随炉冷却的退火热处理的工艺方案。

具体实施例如下：

1)成型工艺试验显示，最佳格架激光增材成型工艺参数为：激光扫描速度1050mm/s、扫描间距0.10mm、激光功率230W，铺粉厚度0.04mm；

2)通过分析各参数对激光成型格架的影响规律，确定支撑部分激光增材成型工艺参数为：激光功率为100W、激光扫描间距为0.11mm、激光扫描速度为1300mm/s；

3)通过激光增材成型技术可以实现格架的制备，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；

4)对激光增材成型后格架进行520℃保温60min后随炉冷却的退火热处理，消除内应力，改善格架性能，并便于后续线切割。

5)最终制备出了壁厚达到0.6mm的锆合金格架。

以Zr-4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，制备出锆合金格架，建立了锆合金格架激光增材制造工艺。