在壓水堆等核反應(yīng)堆中存在眾多關(guān)鍵的動作部件，如一回路的控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)（CRDM）以及各類閥門、泵類等[1-4]。這些部件由于服役環(huán)境比較復(fù)雜，長期處于含有硼酸等腐蝕成分的主冷卻劑液體或蒸汽中，承受高溫（高達(dá)320℃），高壓（15.5MPa）以及核輻照，同時承受著由于其機(jī)械運(yùn)動或高冷卻劑流量引起的振動而受到反復(fù)滑動或沖擊。這些因素導(dǎo)致部件在工作過程中既承受著相互運(yùn)動造成的磨損，又經(jīng)歷服役環(huán)境導(dǎo)致的腐蝕，磨損與腐蝕的相互作用導(dǎo)致材料損失，致使零件的使用壽命縮短[5-7]。這種現(xiàn)象被稱為摩擦腐蝕[2,8]。因此，摩擦腐蝕是影響核反應(yīng)堆動作部件效率和使用壽命、并引發(fā)核安全問題的重要因素。針對一回路動作部件的特殊工作環(huán)境，鈷基合金憑借其優(yōu)越的耐高溫、耐腐蝕及耐磨損性能，尤其是抗黏著磨損性能應(yīng)用最為廣泛。但其在應(yīng)用中存在著兩個無法避免的問題：Co在受輻照后形成的60Co是一種半衰期很長的強(qiáng)放射性元素，合金經(jīng)磨損后產(chǎn)生的磨屑進(jìn)入到一回路中，不僅增加了核燃料屏蔽的難度和成本，而且還會對檢修人員的健康造成威脅；并且地球上的鈷礦儲量極小，鈷作為冶煉鎳銅的副產(chǎn)物產(chǎn)量十分不穩(wěn)定且價格昂貴。故此，現(xiàn)如今各國都在致力于研發(fā)性能與鈷基合金相當(dāng)?shù)牡突罨療o鈷或低鈷耐磨合金材料。綜述了現(xiàn)有的耐磨耐蝕合金種類及研究現(xiàn)狀，歸納了鈷基合金的耐磨耐蝕機(jī)理，并對一回路中動作部件的制造工藝進(jìn)行了總結(jié)和評述。

1、耐磨耐蝕合金

核電站中使用的耐磨耐蝕合金除了具有良好的耐磨損、耐腐蝕和高強(qiáng)度與韌性外，必須能夠在高壓蒸汽、高溫、輻射等惡劣條件下保持部件的力學(xué)性能。高溫、輻射、腐蝕環(huán)境及機(jī)械應(yīng)力的結(jié)合使得耐磨耐蝕合金的選擇和設(shè)計成為確保核電站安全性和可靠性的關(guān)鍵因素。目前應(yīng)用于核電動作部件的耐磨耐蝕合金主要有鈷基合金、鐵基合金、鎳基合金等。

1.1鈷基耐磨耐蝕合金

在核電動作部件中應(yīng)用的鈷基耐磨耐蝕合金主要為Stellite系列，其具有良好的具有耐磨、耐蝕、抗氧化和耐高溫特性，典型牌號有：Stellite1、Stellite3、Stellite6、Stellite12、Stellite20、Tribaloy400、Tribaloy800等。根據(jù)合金中成分、性能不同，分別通過鑄造、鍛造、硬面堆焊，熱噴涂、噴焊等工藝應(yīng)用于摩擦腐蝕的工作環(huán)境。表1為常見的鈷基合金牌號的硬度及主要應(yīng)用途徑。

1.2鈷基合金耐磨耐蝕機(jī)理

鈷基合金在核電動作部件中得以廣泛應(yīng)用的原因之一是其優(yōu)異的耐磨損性能。周志強(qiáng)等[9]探究了F316不銹鋼表面Stellite12和Stellite20涂層的磨損性能以及在不同濃度硫酸溶液中耐腐蝕性，發(fā)現(xiàn)涂層的磨損機(jī)理以磨粒磨損為主，并存在一定的黏著磨損。室溫時在不同濃度的硫酸溶液中兩種涂層均表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性。陳林等[10]在S31000不銹鋼制造的密封副基體表面激光熔覆了Stellite12涂層，以解決高溫條件下閥門密封副的失效問題。之后對熔覆層的耐腐蝕性、顯微硬度以及微觀組織進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)熔覆層與基體結(jié)合良好，并且在顯著提高密封副硬度的同時，還可以有效延緩腐蝕的速率。趙金福等[11]對Tribaloy800與HastelloyC進(jìn)行對磨試驗，發(fā)現(xiàn)Tribaloy800在與其他材料對磨時，在本身保持良好耐磨性能的同時保證對磨材料的磨損量較小，并且該合金具有一定的耐高溫和抗腐蝕性，主要應(yīng)用工藝有激光熔覆和鑄造。

鈷基合金作為核電動作部件中廣為應(yīng)用的耐磨耐蝕合金，充分探究其耐磨耐蝕機(jī)理，對核用低活化耐磨耐蝕合金的開發(fā)具有重要意義。對于其機(jī)理，現(xiàn)存的幾種觀點之一是鈷基合金在摩擦腐蝕過程中發(fā)生了應(yīng)變誘導(dǎo)相變（亞穩(wěn)態(tài)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變）。由于馬氏體與奧氏體結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性導(dǎo)致了較低的層錯能（SFE）。一方面合金在摩擦過程中，基體中的部分奧氏體受到應(yīng)力作用轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這種轉(zhuǎn)變通過形成馬氏體相來吸收外加應(yīng)力并提高加工硬化速率，從而降低材料塑性變形的傾向[12-13]。另一方面，在腐蝕時，合金表面剝落前奧氏體吸收一部分空蝕的能量轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，降低了腐蝕過程中的應(yīng)力集中程度[14]。秦承鵬等[15]對鈷基涂層的腐蝕行為研究時，對鈷基合金腐蝕前后進(jìn)行X射線衍射分析，結(jié)果見圖1，表明腐蝕后發(fā)生了γ-Co向ε-Co的轉(zhuǎn)變，即應(yīng)變誘導(dǎo)相變，使鈷基合金具有良好的耐蝕性。

在較高的溫度下，合金中會出現(xiàn)孿晶，塑性變形只能通過未解離位錯的擴(kuò)展進(jìn)行。應(yīng)變誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)化和孿晶極大地影響了力學(xué)性能。這些變形模式導(dǎo)致加工硬化速率的大幅增加[16]。此外，由于馬氏體密排六方的晶體結(jié)構(gòu)滑移系較少，具有相對穩(wěn)定性[17]。本質(zhì)上比奧氏體相的面心立方結(jié)構(gòu)更難變形。這些因素綜合造就了鈷基合金的良好耐磨耐蝕性。在鐵基合金如Norem02中，也存在類似的應(yīng)變誘導(dǎo)亞穩(wěn)奧氏體到馬氏體轉(zhuǎn)變，被認(rèn)為是其低溫下具有良好耐磨耐蝕性的原因[5]。不過，應(yīng)變誘導(dǎo)相變導(dǎo)致合金具有良好耐磨耐蝕性的理論仍存在爭議。

另一種觀點認(rèn)為合金在摩擦腐蝕過程中生成的表面氧化層為其提供了良好的耐磨耐蝕性能。鈷基合金中的Cr在合金表面與氧結(jié)合生成氧化膜保護(hù)合金基體，摩擦腐蝕破壞氧化膜后，合金與空氣接觸又會形成新的氧化膜，該過程循環(huán)進(jìn)行直至摩擦腐蝕結(jié)束。MCCARRONR等[18]采用球盤磨損試驗裝置來模擬核反應(yīng)堆主回路的環(huán)境，對兩種鈷基合金Stellite20和Haynes25的滑動磨損行為進(jìn)行研究。在對材料表面進(jìn)行成分分析時，發(fā)現(xiàn)磨痕中氧含量高于標(biāo)準(zhǔn)值，表明了磨損表面存在氧化物生成。ROSALBINOF等[19]對腐蝕試樣表面分析時發(fā)現(xiàn)，含Cr的鈷基合金表面在腐蝕條件下形成的Cr2O3薄膜有效地阻止了腐蝕的加劇。

BEHAZINM等[20]對Stellite6在輻照環(huán)境下的腐蝕行為進(jìn)行探究時，發(fā)現(xiàn)在有無輻照的環(huán)境下，合金表面均會生成氧化物薄膜或顆粒。

還有一部分學(xué)者提出鈷基合金具有良好的耐磨耐蝕性于基體中碳化物的存在有關(guān)[21]。鈷基合金中存在類似于不銹鋼的碳化物沉淀硬化(M7C3、M23C6)，這些碳化物作為耐磨第二相存在，使合金具有更高的硬度和加工淬透性。ABBASG等[22]對比了與單獨熔覆Stellite合金以及Stellite與10%SiC混合熔覆層的硬度和耐磨性，發(fā)現(xiàn)混合SiC的熔覆層硬度與耐磨性提高了約兩倍，性能提高的原因可能是SiC的溶解使Si在碳中富集。鄒赟等[23]在鋼表面熔覆鈷基合金后發(fā)現(xiàn)，熔覆層中存在的細(xì)小碳化物顯著提升合金的耐磨性能。在鈷基合金腐蝕過程中，會出現(xiàn)固溶體被腐蝕，碳化物顆粒未被腐蝕的選擇性腐蝕現(xiàn)象[24]。丁濤[25]在不銹鋼上熔覆鈷基合金時添加的Ta，在腐蝕測試后的熔覆層中以未被腐蝕的TaC顆粒形式存在，有效地改善了合金的耐蝕性。耐腐蝕和高應(yīng)變硬化的結(jié)合導(dǎo)致了合金優(yōu)異的耐磨耐蝕性能。

對于Tribaloy鈷基合金，也有人認(rèn)為其良好的耐磨性能主要來自基體中固溶的硬質(zhì)金屬間相LAVES，合金中LAVES相的體積百分比于耐磨性成正比。NSOESIES等[26]曾對Tribaloy400、Tribaloy400C和Tribaloy401的室溫、高溫下硬度和耐磨性進(jìn)行了試驗研究，其中具有較大的LAVES相體積分?jǐn)?shù)的Tribaloy400室溫下的耐磨性表現(xiàn)更好。高溫條件下合金的耐磨性由試樣表面會形成大量的富Cr氧化物來維持，此現(xiàn)象在Tribaloy401中更為顯著。

BELEE等[27]提出鈷基合金和一些其他無鈷耐磨合金是通過較低的SFE抑制位錯的交叉滑移，從而提高加工硬化率來獲得良好的抗磨損性能，同時還抑制了磨損表面的嚴(yán)重塑性變形。

總的來說，鈷基合金良好的耐磨耐蝕性能，一方面由于其在摩擦腐蝕過程中發(fā)生應(yīng)變誘導(dǎo)相變，相變過程吸收一部分能量，并且較低的SFE，可以提高合金的加工硬化程度，降低合金的塑性，產(chǎn)生大量的位錯相互作用。其次，合金表面生成的氧化薄膜在摩擦腐蝕過程中起到了保護(hù)作用。最后較硬的第二相，如碳化物，可以通過降低界面結(jié)合強(qiáng)度和向基體分散應(yīng)變來減輕磨損，第二相也進(jìn)一步增加了加工硬化以及局部的滑移應(yīng)力。

鈷基合金憑借其優(yōu)異的性能，廣泛應(yīng)用于核電受摩擦腐蝕影響的部件中，但Co元素的易活化特性，增加了核輻射的屏蔽成本。目前，鈷基合金大多以堆焊、激光熔覆的方式應(yīng)用于部件表面，這可以在減少鈷基合金使用量的同時，保證部件高溫時的磨損腐蝕性能。但仍不可避免使用過程中Co元素的活化，進(jìn)而帶來部件的后處理難題。因此，使用低活化的耐磨耐蝕合金代替鈷基合金。

1.3無鈷耐磨耐蝕合金

1.3.1鐵基耐磨耐蝕合金

鐵基合金綜合性能良好，是無鈷耐磨合金設(shè)計的最優(yōu)選擇之一，在常溫條件下其摩擦磨損及腐蝕性能與鈷基合金相當(dāng)[5]，并且在PH為6~10的水環(huán)境中，奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性[28]。此外鐵基合金的力學(xué)性能可以通過選擇不同的成分與熱處理工藝較大幅度地改變。此類合金的另一個優(yōu)勢在于價格是硬面合金中最為低廉的，且鐵在自然界中儲量極大，因而在國內(nèi)外代鈷合金的研究中占據(jù)著重要地位。EPRI在20世紀(jì)80年代研發(fā)了Norem系列鐵基合金。此合金的設(shè)計理念是碳化物、固溶強(qiáng)化和應(yīng)變誘導(dǎo)相變硬化的結(jié)合提供了足夠的應(yīng)變硬化，從而獲得良好的磨損性能[29]。同時在加拿大原子能公司（AECL）對Norem合金進(jìn)行的腐蝕性能評估中，驗證了該合金的腐蝕性能良好[30]。劉雙等[31]對比了不銹鋼表面的Norem02熔覆層與Stellite6熔覆層的腐蝕性能，Norem02中的奧氏體基體與強(qiáng)韌碳化物使其在常溫條件下具有與鈷基合金相當(dāng)?shù)哪臀g性。

KIMJ等[5]對Norem02在25~300℃、103MPa條件下的滑動磨損行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)磨損表面的應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變以及加工硬化行為與其隨溫度變化的磨損性一致。結(jié)合對磨損表面掃描電鏡結(jié)果（見圖3）與X射線衍射分析（見圖4），認(rèn)為Norem02在190℃左右時，耐磨性突然下降主要是由于應(yīng)變誘導(dǎo)相變不再發(fā)生導(dǎo)致加工硬化能力的喪失。提高Norem系列合金的耐高溫磨損能力是目前的一個難題，不過已有學(xué)者在這方面開展了相關(guān)研究工作[32]。

SMITHR等[32]針對Norem02高溫下耐磨性能大幅下降的問題，在Norem02的基礎(chǔ)上通過使用粉末冶金和熱等靜壓來實現(xiàn)的加氮使不銹鋼合金基體過飽和，設(shè)計了另一鐵基耐磨合金Nitromaxx。成分中5%的氮的加入一方面提高了合金的硬度，另一方面可以降低其SFE值，提高應(yīng)變硬化率。通過粉末冶金和熱等靜壓制造的Nitromaxx，在制造過程中可以精確地優(yōu)化合金成分和結(jié)構(gòu)。

為了評估Nitromaxx的耐磨性能，研究人員在室溫和高溫（343℃）下根據(jù)ASTMG98標(biāo)準(zhǔn)對Norem02，Nitromaxx和Stellite6合金進(jìn)行了磨損試驗，以模擬閥門在壓水堆條件下所經(jīng)歷的條件，見圖5?？梢园l(fā)現(xiàn)，Nitromaxx和Stellite6的磨損表面變形適中，在此條件下兩種合金的耐磨性能良好，Nitromaxx的耐磨性甚至較Stellite6更為優(yōu)越，而Norem02表面出現(xiàn)了明顯的磨痕，與上文提到的其在高溫條件下耐磨性能會顯著退化一致。EPRI在2015年對Nitromaxx合金的性能在模擬的核電運(yùn)行工況中進(jìn)行測試，該合金表現(xiàn)出良好耐腐蝕性、耐磨性以及耐用性[30]。雖然Nitromaxx的耐高溫磨損性已經(jīng)達(dá)到了現(xiàn)役鈷基合金的水平，甚至更優(yōu)，但該合金主要用于部件表面堆焊，并不適用于整鑄工藝。

目前，鐵基合金在核電中可以作為部分CRDM的基體材料（304L），熔覆鈷基合金使用[33]，或者激光熔覆于閥門表面作為耐磨涂層[5]。就現(xiàn)在而言鐵基合金只能在一定條件下替代鈷基合金，想要大范圍取代鈷基合金還需要深入研究。

1.3.2鎳基耐磨耐蝕合金

鎳基合金晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有良好的耐磨、耐熱及抗氧化等綜合性能[34]。在國內(nèi)外應(yīng)用中比較典型的鎳基合金可分為高硼系和低/無硼系。高硼系合金由于B的加入可以降低合金熔點，改善合金的力學(xué)性能，不過B的加入，會導(dǎo)致Ni2B、Cr2B等脆性硼化物的生成，使合金的塑韌性、腐蝕性能降低。并且合金中的B和Si會導(dǎo)致晶界處形成熔點較低的共晶組織，進(jìn)而影響合金的服役溫度的上限[35]。低/無硼系合金的研究中分析了各種合金元素對合金的強(qiáng)化作用，不過還沒有具體的試驗報道如何對合金元素進(jìn)行配比以達(dá)到最佳強(qiáng)化效果。

Deloro50是一種具有優(yōu)良的耐腐蝕、耐磨損性能的鎳基合金耐磨材料[30]，作為鎳基耐磨合金的代表，在一些核電站中已經(jīng)作為Stellite的替代品通過堆焊使用。KIMSJ等[36]對Deloro50在室溫至350℃，55、103和207MPa接觸應(yīng)力下進(jìn)行了滑動磨損試驗。在圖6中，從Deloro50在不同溫度下的磨損形貌得知，在低于100℃下，合金表現(xiàn)出嚴(yán)重的黏著磨損，在三種接觸應(yīng)力下磨損損失量都非常大。然而，隨著溫度升高超過100℃，磨損損失量減小，在200、225和250℃下，磨損損失量在不同接觸應(yīng)力下均接近零值。其認(rèn)為磨損損失量的減少是由于磨損表面上形成磨損保護(hù)氧化層所致，磨損從嚴(yán)重的黏附向輕度氧化磨損的磨損轉(zhuǎn)變。如果溫度足夠高，材料表面能夠形成致密的氧化膜，使其具有與鈷基合金相當(dāng)?shù)牧己媚湍p性能，可以作為核電站的耐磨堆焊材料使用[30]。

CHIBB等[37]對使用Norem02、Deloro50和Stellite6堆焊的閘閥在280℃的水中進(jìn)行循環(huán)磨損測試。觀察到Norem02在1000次循環(huán)測試后出現(xiàn)磨損和泄漏，而Deloro50在2000次循環(huán)后也未出現(xiàn)泄漏。之后又對Deloro50和Stellite6進(jìn)行了第二次1000次循環(huán)測試。最后的冷泄漏測試顯示，兩個材料堆焊的閥門沒有發(fā)生泄漏。對于現(xiàn)有耐磨合金來說，在高溫環(huán)境下，鎳基合金的耐磨性要優(yōu)于鐵基合金。另一種耐磨耐蝕鎳基合金Hastelloy，也稱哈氏合金，主要分為B、C、G三個系列。其強(qiáng)度高、韌性好，不過這也導(dǎo)致了該系列合金不易加工，并且具有極高的應(yīng)變硬化傾向。哈氏合金在溫度較高的環(huán)境下，力學(xué)性能與耐腐蝕性能會有所下降，在中溫時存在敏化區(qū)，敏化傾向與變形率成正相關(guān)。劉雙[34]也曾設(shè)計了一種名為Ni-3用于激光熔覆的鎳基合金，在400℃的高溫條件下耐磨耐蝕性能可以與Stellite6媲美。

鎳基合金雖然已經(jīng)作為耐磨耐蝕合金應(yīng)用于部分核電站的部件，但是其使用溫度需在100℃以上，并且在B酸環(huán)境中鎳基合金的耐腐蝕性較差。侯頔等[38]對Stellite6、鐵基合金、鎳基合金在B酸環(huán)境的腐蝕性能進(jìn)行研究后，提出在B酸介質(zhì)回路中應(yīng)避免選用鎳基合金的建議。

1.4高熵耐磨耐蝕合金

雖然目前還沒有研究報道高熵耐磨耐蝕合金在核電動作部件上的應(yīng)用，但高熵合金相對于傳統(tǒng)耐磨合金，由于其特殊的四大效應(yīng)，在極端工況下仍然具有良好的耐磨損性、耐腐蝕性、力學(xué)性能、抗氧化性以及耐輻照性能[39]。并且由于在高溫條件下高熵合金可以形成致密氧化膜，結(jié)合亞表面層的強(qiáng)化作用，使其在高溫條件下也可以具有良好的耐磨耐蝕性能[40]。POULIA等[41]研究高熵合金的耐磨性能時，發(fā)現(xiàn)合金的微觀結(jié)構(gòu)由細(xì)晶和樹枝晶組成，為合金帶來了優(yōu)于耐磨合金Inconel718的耐磨性能。另外JOSEOH等[42]對真

空電弧熔煉的高熵合金分析其高溫下滑動磨損行為時，發(fā)現(xiàn)在合金的表面形成氧化膜，亞表面形成提供強(qiáng)化作用的細(xì)小的沉淀硬質(zhì)，二者結(jié)合使高熵合金具有良好的高溫耐磨耐蝕性能。高熵合金的耐腐蝕性主要來自于合金表面形成的鈍化膜。鄭祺風(fēng)等[43]設(shè)計的FCC+BCC雙相高熵合金不僅具有優(yōu)異的拉伸性能，同時表面自然形成在腐蝕環(huán)境中具有保護(hù)作用的氧化膜，為其提供了良好的耐腐蝕性能。王重等[44]使用硫酸溶液對高熵合金進(jìn)行處理，使其表面形成鈍化膜，有效地改善了合金的耐腐蝕性能。

雖然高熵合金在極端工況下具有良好的耐磨耐蝕性能，具有更廣闊的應(yīng)用前景，但與傳統(tǒng)合金相比，其制備工藝與理論機(jī)制尚完善，耐磨耐蝕性的顯著表現(xiàn)不穩(wěn)定，并且制造上存在著成本高、效率低的問題[40]。因此，高熵合金目前主要用于小型的塊體材料研究，并沒有進(jìn)行大批量生產(chǎn)與應(yīng)用。

總的來說，非鈷基耐磨耐蝕合金目前仍處于試驗研發(fā)階段，想要大規(guī)模的推廣應(yīng)用前，還需要進(jìn)行大量的模擬工況條件下的性能驗證與測試。

2、某回路動作部件的制造工藝

核電一回路動作部件為了得到良好的耐磨耐蝕性能，除了對于使用材料的選擇，還要選擇合適的制造工藝。

目前核電上的制造工藝除了傳統(tǒng)的鑄造、鍛造、堆焊等，增材制造作為第4次工業(yè)革命的9大支柱產(chǎn)業(yè)之一[45]，近年來也備受關(guān)注。

2.1傳統(tǒng)制造工藝

作為反應(yīng)堆一回路中的動作部件CRDM用驅(qū)動桿和鉤爪、連桿，目前主要有兩種制造工藝，一種為奧氏體不銹鋼涂覆鈷基合金，即鉤爪、連桿材質(zhì)均為奧氏體不銹鋼（Z2CN19-10或AISI304L），在磨損接觸區(qū)域涂覆鈷基合金（Stellite6），目前世界上多數(shù)商用核電站采用此種工藝，跟鉤爪嚙合的驅(qū)動桿材質(zhì)為馬氏體不銹鋼（牌號主要有：12Cr13、06Cr13；X12Cr13、X12CrNi13；ASTMA-479Type410等）[33]。另一種工藝為Stellite6合金精密鑄造工藝，美國AP1000控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用此種工藝[46,47]，國內(nèi)沈陽鑄

造研究所有限公司開展了針對美國三代核電技術(shù)AP1000驅(qū)動機(jī)構(gòu)用鉤爪、連桿的鈷基合金國產(chǎn)化工作，產(chǎn)品已應(yīng)用于海陽（3#、4#）、三門（3#、4#）等核電站機(jī)組。

為提高鉤爪、連桿的使用壽命，三代核電技術(shù)也對鉤爪齒槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，例如，“華龍一號”及AP1000將鉤爪由單鉤爪改為雙鉤爪，并在鉤爪齒面采用了鈷基合金堆焊工藝，增加了鉤爪與驅(qū)動桿的接觸面積，具有較高的硬度和較強(qiáng)的耐磨性，延長了鉤爪的使用壽命[48,49]。目前CRDM的鉤爪組件由于結(jié)構(gòu)和材料的原因，常會出現(xiàn)零件易碎、磨損快等問題。整體精密鑄造成形工藝雖然降低了剝落的幾率，提高了鉤爪、連桿的可靠性，但是同樣存在后處理的難題。

在核電的另一主要動作部件閥門的密封面制造上，堆焊技術(shù)的使用不僅可以顯著提升閥門的使用壽命，還可以節(jié)約貴金屬材料[50]。對于堆焊材料的選擇，最開始一般選擇硬度高、耐磨性好、耐蝕性強(qiáng)的含鈷合金，如Stellite6或Stellite21等，但是其不足之處除了Co活化后帶來的輻射影響，在高溫條件下耐擦傷性能也較差。在AP1000、EPR等三代核電站中，逐漸出現(xiàn)了鎳基合金作為代鈷合金堆焊使用。也就是說，對于閥門密封面的一些工況條件，選擇相應(yīng)的材料減少鈷基合金的使用是可行的。

堆焊作為較為傳統(tǒng)的制造工藝，國內(nèi)有手工電弧焊、鎢極氬弧焊、氧-乙炔火焰焊等以及國外的絲極、帶極鈷基合金埋弧自動堆焊等多種方法均可用于閥門密封面的制造。近年來，石世宏等[51]還嘗試使用激光熔覆工藝對不銹鋼核閥密封面進(jìn)行處理，經(jīng)測試該工藝處理后的熔覆層的顯微組織及晶粒度相較于傳統(tǒng)堆焊更均勻細(xì)小，且具有更高的顯微硬度及沖擊和磨損性能。雖然激光熔覆技術(shù)通過減少熱殘余應(yīng)力使裂紋數(shù)量降低同時保護(hù)基材不受腐蝕，進(jìn)而提升部件的耐磨耐蝕性能。但是昂貴的設(shè)備帶來了較高的成本，限制

了激光熔覆在工業(yè)中大規(guī)模的應(yīng)用，并且該工藝目前還不適用于需要大面積熔覆的部件表面。

2.2增材制造工藝

相較于傳統(tǒng)的制造工藝，增材制造技術(shù)的應(yīng)用不僅可以提高核電裝備的制造效率、精度、質(zhì)量，還可大幅降低核電裝備的制造成本，對核電裝備來說是一項顛覆性技術(shù)[52]。因此，增材制造在各核工業(yè)企業(yè)中備受關(guān)注。

首次安全運(yùn)行于核電站的增材制造部件，是由西門子打印的核電消防水泵上的葉輪，其對該部件進(jìn)行的大量試驗驗證表明，增材制造部件的性能遠(yuǎn)超于傳統(tǒng)工藝制造的部件[52]。深圳中廣核公司也曾利用增材制造技術(shù)使用316L不銹鋼打印了主泵試驗用縮比葉輪，該工藝制造的試樣不僅具有與鍛件相近的強(qiáng)度、塑韌性，還不會出現(xiàn)鑄件中常見的氣孔、縮孔、等缺陷，具有較高的質(zhì)量[53]。另外，SUKH等[54]已經(jīng)通過增材制造成功制作了小尺寸的核用一級安全閥門，還有一些核工作者嘗試?yán)迷霾闹圃旃に囍圃霤RDM用鉤

爪[55]。

增材制造工藝不僅可以用于制造的核電部件，還可以用于部件表面的修復(fù)，中廣核[56]曾使用鎳基、鈷基合金利用增材制造對閘閥閥桿、鉤爪、軸類以及葉片進(jìn)行表面改性/修復(fù)，該工藝的使用在具有較高的效率同時修復(fù)效果顯著。

英國核先進(jìn)制造研究中心（NuclearAMRC）的研究表明，3D打印技術(shù)能夠大幅縮短重型設(shè)備的制造時間，并提高小堆的商業(yè)可行性。使用3D打印技術(shù)，能將小堆反應(yīng)堆壓力容器的制造時間從使用傳統(tǒng)技術(shù)的約3年縮短到不到6個月[52]。

目前在試驗室研究階段，增材制造技術(shù)已經(jīng)可以成熟的將單一組分金屬粉末，利用激光束快速熔化，根據(jù)所設(shè)計的形狀，直接獲得高精度金屬樣品[57]。但是與傳統(tǒng)制造工藝相比，增材制造屬于局部熔化后凝固成形，組織的均勻性與工藝的穩(wěn)定性直接相關(guān)。此外，核電站服役環(huán)境的特殊性（輻射、高溫、高壓）以及對部件的穩(wěn)定性和可靠性都有著更高的要求[58]。上述原因綜合導(dǎo)致了該技術(shù)在核電領(lǐng)域的研究與應(yīng)用尚處于起始階段，距離大規(guī)模的應(yīng)用還有很多問題亟待解決。

3、展望

第4代商業(yè)堆投入運(yùn)行目前為止，3代反應(yīng)堆仍是國內(nèi)外主要應(yīng)用的堆型，第4代反應(yīng)堆還在發(fā)展中。在“華龍一號”、美國3代核電（AP1000）、歐洲先進(jìn)壓水堆（EPR）等3代核電技術(shù)中，對核電站運(yùn)行壽命提出了60年的要求。為了保證各動作部件的安全性、可靠性以及降低退役后處理的難度，其結(jié)構(gòu)和材料的選用必將進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，尤其是對動作部件磨損性能要求更高。

（1）在磨損研究方面，由于核用材料的磨損涉及簡單沖擊、周期性磨損、腐蝕等復(fù)雜工況以及核輻射的影響，為了更好地理解部件的磨損情況以及材料的磨損機(jī)理，需要研發(fā)設(shè)計盡可能接近實際工況的模擬試驗設(shè)備或仿真模擬程序。

（2）在材料設(shè)計方面，目前使用的鈷基合金雖然滿足了工程設(shè)計與建設(shè)的需求，但是由于針對核電站用材料的磨損性能需求不斷提升，以及59Co的誘發(fā)放射性帶來的輻射防護(hù)問題，研發(fā)新型替代材料降低鈷的用量也是一種趨勢，如鐵基、鎳基耐磨合金，以及近年興起的高熵合金。其中高熵合金作為近年提出與發(fā)展起來的一種新型合金體系，在強(qiáng)度、硬度、耐磨性能、耐腐蝕性能等方面表現(xiàn)優(yōu)異，有較大潛力在核工程領(lǐng)域獲得應(yīng)用[59-61]。研發(fā)新型針對腐蝕、磨損及核輻射的材料時，可以引入先進(jìn)的材料設(shè)計方法如材料神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高通量成分設(shè)計、人工智能（AI）等。

（3）在制造工藝方面，進(jìn)行工藝創(chuàng)新，引入新的制造工藝，如超純凈熔煉（懸浮熔煉）、增材制造（3D打印）等工藝改善控制有害雜質(zhì)，提高的材料性能。另外EPRI正在探究通過粉末冶金（PM）和熱等靜壓（HIP）工藝在耐磨堆焊材料上的應(yīng)用，以解決堆焊合金的可焊性和殘余應(yīng)力問題[62]?？梢灶A(yù)期，科學(xué)技術(shù)的革新和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展越來越依賴于新材料的進(jìn)步，核能的開發(fā)將在我國國民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化進(jìn)程中起著重要的作用，在其開發(fā)、建造和運(yùn)行過程中，存在大量艱巨的材料問題，仍需深入研究。

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