激光粉末定向能量沉积制备316H不锈钢的高通量微结构梯度试样高温蠕变行为：工艺与微观结构的影响

为探究增材制造(AM)工艺参数对核能结构材料性能的影响，研究人员采用高通量微结构梯度试样，系统研究了激光粉末定向能量沉积(DED)制备的316H不锈钢在高温蠕变过程中工艺参数(激光功率)、微观结构(晶粒尺寸/亚晶胞结构)与蠕变性能的关联机制。发现降低激光功率可通过促进Mo/Si/Ni/Cr元素偏析和析出相(M23C6/Laves相)密度提升抗蠕变性能，建立了修正的Mukherjee-Bird-Dorn方程，为AM工艺优化提供了理论依据。

　　

在核能领域向第四代反应堆发展的进程中，激光增材制造(Additive Manufacturing, AM)因其可快速成型复杂构件的特点备受关注。其中激光粉末定向能量沉积(Directed Energy Deposition, DED)技术凭借更高的建造速率，成为制造核反应堆结构件的候选工艺。然而AM技术固有的微观结构不均匀性——包括因局部加热和快速凝固形成的柱状晶、亚晶胞结构以及元素偏析——导致材料力学性能特别是高温蠕变性能存在显著波动。这种性能波动在常规室温测试中可能不明显，但在500-700°C的服役温度下将直接影响核组件安全性。更棘手的是，现行ASME锅炉和压力容器规范尚未涵盖AM制造的316H不锈钢（316L的高碳强化版本），亟需建立工艺-结构-性能的关联模型。

美国能源部核能大学计划(NEUP)支持的研究团队创新性地采用高通量测试方法，通过单一样本集成多梯度微观结构的设计，系统研究了DED工艺参数对316H不锈钢蠕变性能的影响机制。研究发表在《Materials Science and Engineering: A》的论文揭示了激光功率如何通过调控晶粒尺寸、亚晶胞结构和析出相分布来影响材料抗蠕变性能。

关键技术方法包括：采用配备YAG激光器(波长1064nm)的Optomec LENS MTS500 DED系统制备梯度试样；电子背散射衍射(EBSD)分析晶粒取向；透射电镜(TEM)表征析出相与位错结构；数字图像相关(DIC)技术实现局部应变测量；结合Larson-Miller参数和Monkman-Grant关系进行蠕变寿命预测。

【材料与制造】
对比传统锻造316H，DED制备试样显示出显著不同的微观结构特征。通过改变激光功率(300-500W)制备的梯度试样，EBSD分析显示随着功率增加，晶粒尺寸从53μm增大至72μm，亚晶胞结构尺寸同步增大，硬度则从217HV降至195HV。

【微观结构】
TEM观察到三种关键析出相：沿晶界分布的M₂₃C₆碳化物、富Mo-Si的Laves相以及Eta氮化物相。低功率(300W)试样表现出更显著的Mo/Si/Ni/Cr元素在胞壁偏析，导致析出相密度比高功率试样增加37%，这是抗蠕变性能提升的关键因素。

【蠕变寿命分析】
Larson-Miller分析表明即使性能最差的DED试样仍落在锻造材料散射带内。Monkman-Grant曲线显示所有数据点遵循统一趋势，说明断裂机制的一致性。通过修正Mukherjee-Bird-Dorn方程，首次量化了亚晶胞结构尺寸与最小蠕变速率(MCR)的关系。

【结论】
该研究建立了DED工艺参数-微观结构-蠕变性能的定量关系：降低激光功率通过细化亚晶胞结构(从3.2μm降至2.1μm)和增加析出相密度，使最小蠕变速率降低达45%。提出的修正MBD方程为AM工艺优化提供了理论工具。尽管DED材料表现出优于锻造标准的性能，但研究中发现的蠕变空洞和晶界氧化物提示后续需关注长期服役稳定性。这项研究不仅为核用AM构件认证提供了关键数据，其创新的高通量测试方法更为加速材料评价提供了新范式。