AM易道剛剛讀完一篇來自阿爾伯塔大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《npj Advanced Manufacturing》期刊上的研究。

研究講述了如何利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的相場模型來預(yù)測和優(yōu)化用于小型模塊化反應(yīng)堆的增材制造Inconel 617合金的微觀結(jié)構(gòu)和性能。

在核反應(yīng)堆的極端環(huán)境中，材料必須經(jīng)受950°C以上的高溫和腐蝕性氣氛。

Inconel 617這種鎳基超級合金因其卓越的耐高溫性能和抗氧化能力而被視為小型模塊化反應(yīng)堆(SMRs)的理想材料。

但制造這種合金部件并非易事，特別是當(dāng)我們使用激光定向能量沉積(L-DED)這種增材制造技術(shù)時(shí)。

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種一體化的相場模型，將其與CALPHAD（相圖計(jì)算）熱力學(xué)數(shù)據(jù)相結(jié)合，創(chuàng)建了一個(gè)可以預(yù)測凝固過程和表面張力變化的系統(tǒng)。

研究核心是揭示激光功率如何影響熱梯度、熔池穩(wěn)定性和缺陷形成。

結(jié)果符合直覺：較高的激光功率會增加熱梯度，降低表面張力并擴(kuò)大熔池，而較低的激光功率則會產(chǎn)生更穩(wěn)定的表面張力并降低缺陷風(fēng)險(xiǎn)。

通過沿著激光運(yùn)動(dòng)方向和垂直于激光運(yùn)動(dòng)方向分析溫度場，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了控制材料行為的關(guān)鍵因素—汽化閾值和熔池幾何形狀。

有趣的是，表面張力總是在激光與材料相互作用區(qū)域附近降低，這受局部熱梯度的影響。

這些發(fā)現(xiàn)對于制造無缺陷、耐腐蝕的Inconel 617組件具有重要意義。

在小型模塊化反應(yīng)堆中，材料的可靠性至關(guān)重要。

激光熔化區(qū)域的穩(wěn)定性決定了最終部件的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

研究表明，在350W的高激光功率下，溫度超過了汽化閾值，可能導(dǎo)致合金元素蒸發(fā)和關(guān)鍵孔缺陷。

而在200W的較低功率下，溫度保持在液相線和固相線之間的理想范圍內(nèi)，確保了良好的熔化和凝固而不會產(chǎn)生汽化。

通過將熱力學(xué)數(shù)據(jù)與相場模擬相結(jié)合，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)可以預(yù)測復(fù)雜合金在增材制造過程中行為的強(qiáng)大工具。

這種方法不僅適用于In617，還可以擴(kuò)展到其他高性能合金系統(tǒng)。

對于核能行業(yè)而言，這項(xiàng)研究意義重大。

小型模塊化反應(yīng)堆被視為未來能源的關(guān)鍵組成部分，它們提供了增強(qiáng)安全性、模塊化可擴(kuò)展性和可持續(xù)能源生產(chǎn)的潛力。

能夠預(yù)測和優(yōu)化用于這些反應(yīng)堆的關(guān)鍵材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能，將加速這一技術(shù)的發(fā)展和部署。

這項(xiàng)研究為我們提供了一個(gè)計(jì)算框架，可以從基礎(chǔ)熱力學(xué)到實(shí)際工藝優(yōu)化，幫助設(shè)計(jì)和制造適用于核能、航空航天和能源應(yīng)用的高性能合金。