鋼鐵是核能產業中不可或缺的組件之一，尤其是在核反應堆中，鋼鐵主要用於加固壁面及製作關鍵元件。核反應堆內的鋼材需承受極端的高溫、壓力及輻射，並且能夠持續長時間運行。隨著科技的進步，3D 打印或增材製造技術為生產更複雜的不銹鋼部件提供了更高的效率與設計靈活性。然而，3D 打印過程可能會在鋼材的微觀結構中留下缺陷，這些缺陷會影響其在核反應堆中的性能。為了應對這一挑戰，核能行業迫切需要對3D 打印鋼材的製造過程有更深入的理解，以確保其安全性和可靠性。
美國能源部阿岡那國家實驗室的研究人員利用 X 射線衍射和電子顯微鏡進行了兩項研究，探索使用一種名為激光粉末床熔融（LPBF）的增材製造工藝所製造的鋼材。第一項研究集中於 316H，這是一種已知的用於核反應堆結構部件的不銹鋼類型；第二項研究則針對 A709 合金，這是一種針對先進核反應堆應用而設計的新型合金。研究人員使用 LPBF 3D 打印工藝，製作了兩種在核能行業中備受關注的不銹鋼合金樣品。
在 LPBF 過程中，激光逐層熔化金屬粉末，構建出一個實心的三維金屬物體。激光造成的快速加熱和冷卻會在鋼材的微觀結構中形成獨特的特徵。打印出的鋼材中可能出現大量的位錯，這些位錯在材料結構中造成了原本一致的模式突然改變。雖然位錯會加強鋼材，但也使其更容易斷裂，因此熱處理的過程用於緩解這種壓力。高溫的熱處理可以促使原子移動並修復位錯，但保留一些位錯則可能提高材料的性能。這些研究揭示了打印鋼材與傳統鍛造鋼材之間的重要差異，並顯示了3D 打印鋼材對於通常用於鍛造材料的熱處理的反應。
在研究中，研究人員利用阿岡那的納米材料中心（CNM）進行了對 316H 的微觀結構比較，並使用掃描電子顯微鏡（SEM）和掃描透射電子顯微鏡技術分析樣品。他們還進行了原位 X 射線衍射實驗，利用高能 X 射線探測樣品在進行解決退火等熱處理過程中的變化。實驗結果顯示，納米氧化物——這種在 3D 打印材料中常見的納米級缺陷，會抑制材料的回復和再結晶過程。研究人員將在 CNM 和 APS 獲得的詳細結構數據與機械性能（例如抗拉強度和抗蠕變能力）相結合，進一步深入了解打印鋼材的特性。
針對 A709 合金的另一項研究首次對增材製造形式的 A709 進行了實驗性研究。研究人員同樣使用了 CNM 的 SEM 和透射電子顯微鏡，深入分析了打印和鍛造 A709 樣品在多次熱處理中的變化。團隊測試了熱處理樣品在拉伸下的強度。在室溫及 1,022 華氏度（約 550 攝氏度）下，打印的 A709 顯示出比鍛造的 A709 更高的抗拉強度。這可能是因為打印樣品起初就有更多的位錯，這也促進了熱處理過程中更多的沉澱物形成。研究人員指出，這項研究不僅提供了對這些合金的實用處理建議，也加深了對打印鋼材的基礎理解，為未來的核反應堆部件設計提供了重要的參考依據。
