一種具有新型耐磨層結構的鉤爪及其製造方法與流程
2024-03-31 00:08:05
本發明屬於雷射增材製造領域，涉及用於核電站控制棒驅動機構鉤爪的一種新型結構及製造方法。
背景技術：
控制棒驅動機構是核電站反應堆的關鍵設備，也是反應堆本體上唯一的動設備。鉤爪組件是控制棒驅動機構中最核心、最關鍵的零件之一。反應堆的啟動、功率調節、功率保持、正常停堆和事故停堆等功能操作，就是依靠兩組鉤爪按照時序運動的擺進擺出方式完成驅動杆帶動堆芯控制棒的提升、下插動作來實現。
核電技術的發展對反應堆系統和設備的安全性、可靠性和經濟性都提出了更高的要求。作為易損件，鉤爪的耐磨損、耐熱性、耐腐蝕等特性直接決定整個控制棒驅動機構的使用壽命。堆焊型鉤爪由於其優越抗衝擊性、耐腐蝕性，不易崩齒、斷裂和碎裂，含鈷量低和更好的耐磨性而被廣泛採用。但由於其在小孔內進行氧乙炔手工堆焊的操作難度高，工藝穩定性差、生產效率低、產品合格率低，國內相關單位的產品沒有實際工程應用價值。國內核電工程使用的該種鉤爪幾乎全部採用進口。堆焊型鉤爪、連杆成為控制棒驅動機構中唯一沒有實現批量化國產的零件。
雷射增材製造是通過將三維構件解構為二維後再利用高能雷射束進行堆疊製造的技術。對於複雜構件、難熔材料的加工製造具有獨特優勢。本發明就是提供一種具有新型耐磨層結構的鉤爪及其雷射沉積製造方法。
技術實現要素：
本發明提供了一種具有新型耐磨層結構的核電站控制棒驅動機構鉤爪及其雷射沉積製造工藝方法。
本發明提出的核電站控制棒驅動機構鉤爪新型耐磨層結構，其特徵是：銷孔的耐磨層為外圓呈鋸齒狀的圓管形；銷孔耐磨層與基體結合面為鋸齒形；鉤齒與基體的結合面為鋸齒形。
本發明提出的具有新型耐磨層結構的核電站控制棒驅動機構鉤爪的雷射沉積製造方法，包括如下步驟：
S1：建立鉤爪毛坯三維數字模型；
S2：制定鉤爪雷射沉積製造方案，並對數模進行切片和雷射掃描路徑規劃；
S3：設定雷射沉積製造參數並編制工藝控制程序；
S4：完成雷射沉積製造前準備工作；
S5：按照設定的程序進行雷射沉積製造；
S6：將鉤爪毛坯從基板切割分離然，後進行熱處理；
S7：對熱處理後的鉤爪毛坯進行機加工，獲得鉤爪成品。
本發明所述外圓呈鋸齒狀的圓管形鉤爪銷孔區耐磨層，其特徵是：圓管外直徑不小於10.5mm，不大於19.0mm。
本發明所述鉤爪雷射沉積製造方法S2步驟，其特徵在於：
S2-1：採用鉤爪毛坯以鉤齒面中心法線與其軸線所在平面呈水平的側向平放方式生長；
S2-2：將鉤爪毛坯數模進行切片；
S2-3：對切片進行分區，並規劃每個分區的雷射掃描路徑；
S2-4：編制鉤爪毛坯切片和雷射沉積製造程序文件。
本發明所述雷射沉積製造鉤爪毛坯S3步驟設定雷射沉積製造參數，其特徵在於：雷射光斑直徑為φ2mm~φ6mm，雷射功率為1kw~5Kw，雷射掃描速度3mm/s~30mm/s，雷射掃描搭接率為30%~50%，切片層厚為0.5mm~2.0mm。
本發明所述雷射沉積製造鉤爪毛坯S4步驟，其特徵在於：
S4-1：對基材去油汙，表面打磨去除氧化皮，然後清洗烘乾；
S4-2：將基材放置到氬氣氛保護的雷射沉積成形倉的工作平臺上並固定，調整送粉器到基材表面的距離，並設定雷射掃描的起點和終點；
S4-3：將雷射沉積製造鉤爪毛坯用原材料粉末裝入送粉器；
S4-4：進行雷射沉積製造程序預運行，檢測設備運行準確性和程序運行的合理性；
本發明所述雷射沉積製造鉤爪毛坯S6步驟的熱處理，其特徵在於：熱處理溫度為800℃~1075℃，冷卻方式為隨爐冷卻。
本發明所述S7步驟的機加工，其特徵在於：
S7-1：基準面加工——銑加工鉤爪毛坯的沉積面頂面和底部切割面成為加工基準面；
S7-2：銷孔軸心定位——將下銷孔圓形耐磨區圓心位置定位為銷孔軸心，再按照尺寸要求在上銷孔圓形耐磨區圓心位置定位上銷孔軸心；
S7-3：打孔——以定好的軸心在銷孔耐磨層區進行銑孔；
S7-4：然後以上、下銷孔軸心為基準編制數控加工程序，完成鉤爪的機加工。
本發明所述S2-3數模切片，其特徵在於：銷孔層切片平面內至少分為四個掃描分區——基體區、下銷孔耐磨材料區和上銷孔部耐磨材料區；上下銷孔耐磨材料區是以鉤爪銷孔軸心為中心的圓形；該圓形直徑介於10.5mm~19mm之間；相鄰兩層切片的圓形耐磨材料區直徑相差2mm~4mm。
本發明所述S2-4雷射掃描路徑規劃，其特徵在於：同一切片不同區域的雷射掃描路徑相互可以相互垂直，也可以相互平行；相鄰兩層的雷射掃描路徑可以相同，也可以呈一定角度，如90°。
本發明所述S4-1步驟的基材，其特徵在於：基材為不鏽鋼，如12Cr17Mn6Ni5N，12Cr18Ni9，Y12Cr18Ni9，Y12Cr18Ni9Cu3，06Cr19Ni10，00Cr18Ni9N。
本發明所述S4-3雷射沉積製造鉤爪毛坯原材料粉末，其特徵在於：鉤爪基體原材料粉末為00Cr18Ni9N控氮奧斯體不鏽鋼；耐磨層原材料粉末為Stellite 6鈷基合金。
本發明所述S4-3送粉器，其特徵在於：送粉器至少擁有兩個密封的送粉倉。
本發明所述00Cr18Ni9N控氮奧斯體不鏽鋼粉末，其特徵在於：該材質粉末的製造方法為旋轉電極法或者氣體霧化法。
本發明所述Stellite 6鈷基合金粉末，其特徵在於：該材質粉末的製造方法為旋轉電極法或者氣體霧化法。
本發明提供的鉤爪具有晶粒細小，力學性能好，耐磨層硬度均勻可控，殘餘應力小等優勢。本發明提供的雷射沉積製造方法與傳統手工氧乙炔堆焊工藝依賴操作工人不同，生產過程全自動控制，雷射沉積製造系統全封閉，不受外界環境和操作人員技術水平和工作狀態的影響，生產成品率高，具有產品批量化生產優勢。
附圖說明
附圖和實施例可以對本發明進一步說明，附圖如下：
圖1氧乙炔堆焊鉤爪結構示意圖；
圖2氧乙炔堆焊鉤爪下銷孔耐磨層結構示意圖；
圖3氧乙炔堆焊鉤爪鉤齒與基體結合面示意圖；
圖4雷射沉積製造鉤爪結構示意圖；
圖5雷射沉積製造鉤爪下銷孔耐磨層結構示意圖；
圖6雷射沉積製造鉤爪鉤齒與基體結合面示意圖；
圖7 耐磨材料與基體的鋸齒狀結合面；
圖8雷射沉積製造鉤爪毛坯結構示意圖；
圖9 雷射沉積製造鉤爪毛坯銷孔層切片示意圖；
圖10 雷射沉積製造鉤爪毛坯銷孔層切片雷射掃描路徑規劃圖；
圖11雷射沉積Stellite 6熱處理硬度-溫度曲線；
圖12雷射沉積控氮奧氏體不鏽鋼熱處理硬度-溫度曲線；
圖13雷射沉積製造鉤爪毛坯機加工銷孔軸心定位示意圖。
編號說明：1——氧乙炔堆焊鉤爪基體，2——氧乙炔堆焊鉤爪下銷孔及其耐磨層，3——氧乙炔堆焊鉤爪上銷孔及其耐磨層，4——氧乙炔堆焊鉤爪鉤齒耐磨層；5——雷射沉積鉤爪基體，6——雷射沉積鉤爪下銷孔及其耐磨層，7——雷射沉積鉤爪上銷孔及其耐磨層，8——雷射沉積鉤爪鉤齒耐磨層；9——雷射沉積製造鉤爪毛坯下銷孔軸心，10——雷射沉積製造鉤爪毛坯上銷孔軸心。
具體實施方式
氧乙炔堆焊鉤爪的製造方法是：採用00Cr18Ni9N控氮奧氏體不鏽鋼鍛棒機加工成鉤爪基體1，在基體上加工銷孔；其中下銷孔2加工成帶有一定傾角的對稱錐形孔，如圖2所示；鉤齒面銑加工出凹槽面，如圖3所示；然後再用Stellite 6鈷基合金焊絲進行氧乙炔堆焊銷孔耐磨層2和3，在鉤齒面堆焊鉤齒4；然後對毛坯進行退火處理，最後進行成品機加工。該工藝的難點之一是銷孔內耐磨層的堆焊。鉤爪的銷孔是一種小直徑深孔，在該孔內主要依靠手工操作進行堆焊。Stellite 6鈷基合金雖然具有良好的耐磨性，但卻是一種殘餘應力敏感材料，耐磨層與基體控氮奧氏體不鏽鋼的結合面由於殘餘應力的存在極易開裂；且手工堆焊時，操作人員的技術水平和工作狀態會影響耐磨層的滲碳量，導致耐磨硬度超標且分布不均勻；因此該工藝對操作人員的依賴性較強，工藝穩定性極差。
雷射增材製造技術是將三維構件分解為二維平面圖形，再利用雷射數位化加工系統將粉末快速熔化成形二維圖形結構，逐層堆積製造產品的一種全新的製造工藝，雷射沉積製造技術是雷射增材製造技術中的一種。本發明利用雷射沉積製造技術製造鉤爪的步驟包括：
a、建立鉤爪毛坯三維數字模型；
b、制定鉤爪雷射沉積製造方案，並對數模進行切片和雷射掃描路徑規劃；
c、設定雷射沉積製造參數，編制雷射沉積製造工藝控制程序；
d、完成雷射沉積製造前準備工作；
e、按照工藝程序文件進行雷射沉積製造；
f、將鉤爪毛坯從基板上切割分離，然後進行熱處理；
g、對熱處理後的鉤爪毛坯進行粗加工並進行無損檢測；
h、對無損檢測合格的鉤爪毛坯進行精加工，製造成品鉤爪；
I、對成品鉤爪進行尺寸和外觀檢驗。
下面以實例介紹每一步驟的具體方式：
a、建立鉤爪毛坯數字模型
根據鉤爪成品數字模型，首先設計鉤爪機加工坯料數字模型；再根據雷射沉積工藝特徵和內部質量檢測要求，各個加工面都增加加工餘量，從而獲得雷射沉積製造鉤爪毛坯的數值模型；
本發明中成品鉤爪銷孔直徑為φ9.493mm，外圓層鋸齒狀的圓管形耐磨層齒根截面圓直徑大於銷孔直徑，小於鉤爪側面的寬度19mm。本發明耐磨區分別採用直徑10.5mm，14mm和19mm，齒間距分別為0.5mm、1mm、1.5mm和2.0mm進行了設計製造。
b、制定鉤爪雷射沉積製造方案，並對數模進行切片和雷射掃描路徑規劃
根據毛坯的三維數值模型結構和雷射沉積製造工藝特點，設計毛坯的成形方案。根據鉤爪毛坯呈L形的特點，本發明採用鉤齒面中心法線與其軸線所在平面呈水平的側向平放，沿箭頭所指豎直方向逐層堆積生長的成形方案，如圖8所示；
按照該方案進行切片時，鉤爪切片平面內結構將完全相同，如圖9所示。每個切片分為四個區域：基體5、下銷孔耐磨材料區6、上銷孔耐磨材料區7和鉤齒區8。相鄰兩層切片的銷孔耐磨材料區直徑大小相差2mm~4mm，使耐磨材料區與基體形成鋸齒狀連接，如圖7所示；
對切片進行雷射掃描路徑規劃。為了降低和消減應力累積，一般要求相鄰兩層的雷射掃描路徑要成一定角度。本發明中，相鄰兩層切片的雷射掃描路徑呈90°垂直；
在進行雷射掃描路徑規劃時，除相鄰兩層切片的雷射掃描路徑成一定角度外，同一切片中相鄰兩區的雷射掃描路徑也要成一定角度。本發明都是呈90°，如圖10所示，圖10（a）和圖10（b）是相鄰兩個切片的雷射掃描路徑規劃；此時需要設定掃描間距，即雷射掃描搭接率，本發明搭接率為30%~50%之間。
c、設定雷射沉積製造參數並編制雷射沉積製造工藝控制程序
通過系統實驗獲得優化的00Cr18Ni9N控氮奧氏體不鏽鋼和Stellite 6鈷基合金的雷射沉積製造工藝參數。本發明優化了三種雷射工藝參數如表1所示：
表1 鉤爪雷射沉積製造工藝參數表
根據工藝參數和切片掃描路徑，編制雷射沉積製造工藝控制程序。
d、完成雷射沉積製造前準備工作
雷射沉積製造前的準備工作，分為四個方面：第一步，基材準備；第二步，工作檯準備；第三步，原材料準備；最後是程序預運行；
首先是基材準備。由於雷射沉積的是控氮奧氏體不鏽鋼，首選基材就是控氮奧氏體不鏽鋼板材。考慮到成本，可以其他不鏽鋼代替，如12Cr17Mn6Ni5N（201牌號），12Cr18Mn9Ni5N（202牌號），12Cr18Ni9（302牌號），Y12Cr18Ni9（303牌號），06Cr19Ni10（304牌號）等。本發明採用的是06Cr19Ni10中厚板，厚度30mm；
將基材清洗除油除鏽，在烘乾爐內加熱烘乾，烘乾溫度150℃，保溫60min。然後對基材稜角打磨去除毛刺，表面打磨光亮清除氧化皮；
第二步，工作檯準備。將烘乾並打磨好的基材放置到雷射沉積成形倉內的工作平臺上並用夾具固定，該成形倉內充滿氬氣。調整雷射沉積成形同軸送粉器到基材表面的距離，確保基材沉積面在雷射焦點範圍內。設定送粉器在基材上掃描的起點和終點，限定掃描範圍。最後確認成形倉內的氧含量，只有低於50ppm時才能開始雷射沉積製造；
第三步，原材料準備。本發明所用原材料為00Cr18Ni9N控氮奧氏體不鏽鋼粉末和Stellite 6鈷基合金粉末。00Cr18Ni9N控氮奧氏體不鏽鋼粉末採用旋轉電極工藝製備，化學成分符合RCC-M標準，粒度為-60目~200目。Stellite 6鈷基合金粉末為氣體霧化法製備的堆焊粉末，化學成分符合AWS A5.21標準，粉末粒度-100目~320目；
將粉末裝入雷射沉積數控系統的送粉器中，該送粉器至少具有兩個送粉倉，可以實現至少兩種粉末材料的同時雷射沉積製造。本發明所用送粉器為載氣式送粉器，保護氣體為高純氬氣，擁有三個送粉倉，可以實現三種粉末材料的同時雷射沉積。
第四步，程序預運行。在完成上述準備工作後，在不打開雷射的條件下，運行工藝控制的程序，檢驗數控程序、工具機、保護氣和送粉器等各設備運行的準確性、完整性和可靠性，確保鉤爪製造過程的穩定可控。如果發現問題，立即修正程序或者設備，然後再進行預運行，直到確認無任何異常為止。
e、按照設定的程序文件進行雷射沉積製造
本發明按照表1的雷射工藝參數編制的工藝控制程序分別進行了鉤爪毛坯的雷射沉積製造。雷射沉積製造過程中，注意觀察成形質量，發現異常要即時調整工藝，確保雷射沉積過程的順利進行。
f、將鉤爪毛坯從基板上切割分離，然後進行熱處理
雷射沉積製造技術由於是高能束瞬態加熱熔化與非穩態凝固成形，其殘餘應力較大，必須進行去應力退火。
對雷射沉積00Cr18Ni9N控氮奧氏體不鏽鋼和Stellite 6進行熱處理實驗，獲得兩者的溫度—硬度曲線，如圖11和圖12所示，圖11為雷射沉積Stellite 6硬度—溫度曲線，圖12為雷射沉積00Cr18Ni9N控氮奧氏體不鏽鋼硬度-溫度曲線。根據硬度-溫度曲線，本發明優選確定的鉤爪毛坯的熱處理溫度為800℃~1075℃。根據選擇的溫度，分別進行保溫30min，45min，60min，75min和90min對比。
對經過熱處理後的00Cr18Ni9N控氮奧氏體不鏽鋼和Stellite 6鈷基合金進行拉伸性能測試，測試結果如表2所示：
表2 熱處理後雷射沉積00Cr18Ni9N控氮奧氏體不鏽鋼和Stellite 6鈷基合金力學性能
可以看出，雷射沉積製造的Stellite 6鈷基合金和00Cr18Ni9N控氮奧氏體不鏽鋼，無論是雷射沉積態還是熱處理後，其綜合力學性能都高於RCC-M標準；
根據上述拉伸實驗結果，本發明優選的鉤爪熱處理工藝為：熱處理溫度：800℃~1075℃，保溫時間45min~75min，冷卻方式為隨爐緩慢冷卻。
g、對熱處理後的鉤爪毛坯進行粗加工並進行無損檢測
對完成熱處理的鉤爪毛坯進行機加工，首先加工鉤爪成形頂面和底面（鉤爪兩個側面）成基準面，獲得平整光潔的表面，表面粗糙度≤1.6μm。然後對其進行水浸超聲波C-scan檢驗，確認毛坯內部質量。在鉤齒區8、下銷孔區6和上銷孔區7測試Stellite 6耐磨層的洛氏硬度，每個區測試不少於3個點。本發明中，三個區域的Stellite 6洛氏硬度相同，為HRC43±2。
h、對無損檢測合格的鉤爪毛坯進行機加工，獲得鉤爪成品
對檢驗合格的鉤爪毛坯進行精加工。首先加工鉤爪的兩個側面成為加工基準面，加工時需要確保兩個側面與耐磨層結合面垂直，然後在該基準面下部Stellite 6區域6定位下銷孔軸心9，然後以軸心9為基點，在上部的Stellite 6區域7定位上銷孔軸心10，理論上軸心10也應該是區域7圓形的圓心，但實際中會有偏差，如圖13所示。編制數控加工程序，分別以軸心9和軸心10為基準，完成打孔和成品機加工。
I、對鉤爪進行尺寸和外觀檢驗
利用高精度三坐標測量儀對鉤爪成品進行尺寸檢驗。利用粗超度儀測試各加工面的粗糙度。利用滲透法檢驗成品鉤爪是否存在裂紋。在高亮度環境下目視檢驗鉤爪外觀的完整性。目視檢測時，鉤爪表面不允許有任何的凹坑、開裂、裂紋、未熔合和夾渣。液態滲透檢驗時，不允許在耐磨區和界面上有任何線性顯示（長為寬的3 倍）；不允許有大於1.5mm 圓形顯示，如果最終機加工後要求的最小厚度小於1.5mm，圓形顯示的最大允許尺寸為該厚度；允許有一個液體滲透顯示。
經過上述步驟製造的鉤爪可完全滿足核電站控制棒驅動機構鉤爪的使用要求。通過超聲無損檢測和滲透檢驗，未發現任何超標缺陷，耐磨層硬度HRC43±2，符合產品技術要求，且比氧乙炔堆焊鉤爪耐磨層硬度更均勻。本方法製造的鉤爪，雷射沉積00Cr18Ni9N控氮奧氏體不鏽鋼基體具有比氧乙炔堆焊鉤爪基體具有更好的綜合力學性能。本發明生產過程完全自動控制，製造過程和質量不受操作人員影響，適合批量生產，可以完全替代氧乙炔堆焊鉤爪。