先进核反应堆焕发新生：冷喷涂增材制造引领革命！

冷喷涂技术是一种颇具前景的固态粉末沉积方法，可用于涂层制造、增材制造和部件修复。近年来，这项技术已被用于核能部门的许多应用研究中。例如，已经探索了在轻水反应堆（LWR）中的锆合金燃料包壳上沉积腐蚀和氧化材料涂层，以实现更耐事故的燃料包壳；用于增强耐磨性和传热的涂层，氧化物弥散强化（ODS）钢的下一代燃料包壳的近净形状制造；用于缓解和修复旧燃料储存罐系统中潜在的氯化物引起的应力腐蚀开裂等。美国威斯康星大学麦迪逊分校工程物理系以及材料科学与工程系回顾了已发表的关于冷喷涂工艺在核能应用中的文献，介绍了冷喷涂技术在核能应用方面的最新进展。

先进核反应堆的冷喷涂增材制造

冷喷涂在核能领域的应用研究

冷喷涂技术已被研究为一种增材制造路线，用于制造独立部件和修复损坏的部件。一个例子是氧化物分散强化（ODS）钢燃料包壳管的增材制造，该管正被考虑用于先进的核反应堆，与LWR相比，燃料包壳将经历更高的温度和辐射剂量。制造ODS钢的传统方法成本高昂，并且涉及机械合金化、粉末固结以及多个挤压和退火步骤。基于熔融的制造方法是不合适的，因为它们可能导致氧化物纳米团簇的向上分层。

冷喷涂作为一种快速固态制造方法，有可能以成本效益高的方式克服上述限制。Maier等人（2019）和Lenling等人（2019）证明了使用冷喷涂技术制造ODS钢管和薄板的可行性。使用500°C 95%He/5%N₂气体将粉末颗粒沉积到旋转的铝合金管芯轴上，产生非常高密度的沉积物（约0.05%的孔隙率），所得沉积物厚度约为1mm。在冷喷涂工艺之后，将铝合金管芯轴基体溶解在NaOH溶液中，留下独立的ODS钢管。使用这种方法，生产了长度约为200mm、厚度约为1mm的独立ODS管，原型包壳壁厚如图7a所示。在Ar环境中，在1000°C下对预制管进行1小时的后热处理，以改善沉积态包壳管的微观结构（例如，氧化物纳米颗粒的沉淀和基体的额外致密化）。图7b显示了TEM显微照片，显示了铁素体钢基体中尺寸范围为20–80 nm的氧化物纳米颗粒的分布。作者指出，需要对工艺进行额外优化，以在ODS材料中获得更细的晶粒和纳米颗粒尺寸，然后需要进行机械测试。