CN104526172A - 核电常规岛低压转子电熔成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高效、低成本、具有良好力学性能的核电常规岛低压转子电熔成形方法。该方法为，将电熔头与基材接至电源两极，金属原料丝材经由输送机构和电熔头送至基材表面，在颗粒状辅料的堆积保护下，原料丝材与基材间产生电弧，熔化辅料形成熔融渣池，在电弧热、电阻热、电渣热三种热复合高能热源作用下使原料丝材熔化，形成熔池，持续输送原料丝材与辅料，控制电熔头与基材的相对移动，实现熔池在基材上快速冷却逐层凝固堆积，最终逐层堆积成形核电常规岛低压转子，转子的材料为30Cr2Ni4MoV材料，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.20-0.28％，电熔制得的材料C含量0.10-0.18％，晶粒度7-10级。
Description
技术领域
本发明涉及一种核电常规岛低压转子电熔成形方法。
背景技术
30Cr2Ni4MoV材料具有淬透性高，综合机械性能好，热加工工艺好等优点，因此被广泛应用于核电汽轮机低压转子的生产制造。但这种钢是本质粗晶粒钢，有较强的遗传特性，易产生晶粒粗大和混晶，对材料制造造成了很大的困难。
目前转子钢材料制备主要通过钢锭冶铸并经锻造成形后再多次正火热处理实现的，以此工艺细化晶粒,获取塑韧力学性能和高温性能品质良好的材料构件。30Cr2Ni4MoV在现实生产中即在热塑性变形基础上经过至少三次正火，获取所需的淬透性高、综合机械性能好、热加工工艺性好的细晶转子钢材料。尽管该工艺被毫无例外的用来生产该转子钢材料，但由于操作复杂(包括转子钢材料研发,纯净钢冶炼研发,锻造工艺研发,热处理工艺研发等等)、化学与力学性能控制难度大，热处理时导致材料相组织不均匀，甚至是应力开裂等缺点。另外锻造结构材料利用率低，周期长，也导致制造费用相对较高，效率低下；且由于我国自身技术水平的原因，制造的材料构件质量稳定性差，废品率高，导致项目工程严重拖期，造成极大的浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于，提供一种高效、低成本、具有良好力学性能的核电常规岛低压转子电熔成形方法。
为达到上述目的，本发明的核电常规岛低压转子电熔成形方法为:该方法是采用电弧热、电阻热、电渣热复合而成的高能热源，熔化连续输送的金属原料丝材，在基材上逐层凝固堆积成形制造转子构件；
将电熔头与基材接至电源两极，成形时金属原料丝材经由输送机构和电熔头送至基材表面，在颗粒状辅料的堆积保护下，原料丝材与基材间产生电弧，熔化部分堆敷辅料形成熔融渣池，电流流过原料丝材和熔融辅料渣池形成电阻热和电渣热，在电弧热、电阻热、电渣热三种热复合高能热源作用下使原料丝材熔化，在基材表面形成局部熔池，持续输送原料丝材与辅料，根据成形构件的分层切片数据，采用计算机控制电熔头与基材的相对移动，实现熔池在基材上快速冷却逐层凝固堆积，最终逐层堆积成形核电常规岛低压转子。
所述核电常规岛低压转子的材料为30Cr2Ni4MoV材料，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.20-0.28％，电熔制得的材料C含量0.10-0.18％，晶粒度7-10级。
原料丝材按照不同转子材料要求特殊制备，原料丝材直径可以为2-5mm。
本发明中，根据转子钢尺寸和效率要求，电熔头的数量可以设定为1～100个，多电熔头排布时，相邻电熔头间距为50～500mm。
本发明中，所述基材可以为钢管或钢棒，外径100-300mm，基材长度与转子长度一致，用于为转子工件提供工装支撑，并在工件成形后机加工去除，基材为钢管时，管壁壁厚不小于10mm。
电源可以是直流或交流电源，在使用直流电源时，电熔头可接正极或负极。另外，根据成形工件要求，对基材或堆积金属进行加热或冷却，控制基材或堆积金属预热与层间温度为100～400℃，电熔头与基材的相对移动速度为300～800mm/min，实现熔池的快速凝固，从而获得晶粒细密、无宏观偏析、组织均匀的材料，极大的改善成形工件的塑性、韧性和高温蠕变等力学性能。
在本发明中，在逐层成形的过程中，原料丝在下层金属表面形成熔池，熔滴以射流形态进入熔池后凝固使两层金属形成一体，实现分层成形，整体融合，保证了成形转子的整体性能。
本发明摆脱了复杂的工装、模具和专用工具的约束；成形即为近净形坯件，生产后只需少量精加工，大大简化加工工序，缩短产品周期,大大提高了效率,节省了成本；所成形转子具有媲美传统锻造工艺的力学和化学性能，强度、韧性、耐蚀等性能均十分突出。
附图说明
图1A为用于说明具体实施方式中的电熔成形方法的原理图；
图1B为图1A中A所示位置附近的局部放大图；
图2为用于说明实施例中的核电常规岛低压转子电熔成形方法的示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的具体实施方式进行说明。图1A为用于说明具体实施方式中的电熔成形方法的原理图；图1B为图1A中A所示位置附近的局部放大图。由于是原理图，因而，图中部件是示意性的，其实际形状与尺寸关系不受图示限制。
该成形方法是将原料丝材1熔化而逐层(图1中所示为堆积至第N层时的状态)堆积在基础材2上，从而最终形成所需的金属构件。
具体实施工序为：
A.送丝机构5将原料丝材1送至放置于工作台21上的基材2的表面，其上覆盖由送粉机构4输送的颗粒状辅料。
B.启动电源12，电源电压使原料丝材1与基材2间形成电弧9产生电弧热，电弧热使部分辅料3熔融，形成辅料渣池8，电流经由电熔头6流过原料丝材1形成电阻热，并通过熔融渣池8形成电渣热，三种热源复合而成高能热源，熔化原料丝材，在基材2表面形成熔池11。
C.控制电熔头6与基材2的相对移动和基材2的温度，实现熔池11与基材换热凝固沉积。
D.送丝机构5与送粉机构4持续输送原料丝材1和辅料3，在辅料3覆盖熔池11和基材2的状态下，原料丝材1逐层堆积在基材2上，最终成形工件。
其中，控制装置(计算机)根据成形工件的(数值模拟、数学模型)分层切片数据控制电熔头6与基材2的相对移动方式。
在本发明图示中电熔头电极接正，工件接负只作示意作用，也可以电熔头接负，工件接正，或采取交流电源。
在本发明中，为了保证形成良好的高能热源，尤其是为了产生充分的电渣热，可以适当地调节辅料的成分、原料丝材的直径、电流、基材与原料丝材的相对移动速度等参数。
在本发明中，原料丝1的形态可以是圆棒状、带状，实芯或者药芯的；原料丝1的直径可以根据成形工件的尺寸设定为2～5mm；根据丝材1直径不同，伸出电熔头的长度(通电长度)为20mm～150mm。
在本发明中，辅料3覆盖厚度为15mm～120mm，使用辅料3的作用包括：覆盖电弧9，防止电弧飞溅；覆盖熔池11，隔绝空气，使熔池金属免受空气中氧、氮、氢等的侵害；对熔池金属形成保温；冶金反应过程中去除杂质、掺入合金；形成的渣池8(渣壳7)以机械方式保护沉积金属10良好成形等。
辅料3的成分包含氧化物或者氧化物与卤化物，由于辅料3参与熔池反应，调整工件(金属构件、产品)成分，因而根据所要形成的金属构件的成分和效率要求，可以在辅料中添加合金粉末以及/或者单质金属粉末，降低生产成本。
另外，在C工序中，可以附带回收残余辅料以及去除渣池8凝固而形成的渣壳7的操作。去除时，可以在原料丝1的相对移动后方400mm～500mm处开始机器去除或人工去除作业。
采用本实施方式的电熔成形方法，原料丝利用率接近100％；相比现有的加工技术(锻造、铸造等)，制造工序少(不需要复杂的热处理)，周期短，效率高，金属构件的机械加工余量非常小，同时减少了精加工时间及节约了大量的材料。
【实施例】
本实例中通过卧式电熔成形方法制作CPR1000核电站核电常规岛整体低压转子，其长度为11000mm，最大外径为2500mm，材料30Cr2Ni4MoV，基材选用42CrMo棒材，所使用的设备包括：
(1)回转支撑台；
(2)电熔电源；
(3)电熔头；
(4)自动送丝装置；
(5)辅料自动输送与辅料自动回收装置；
(6)加热装置；
(7)冷却装置；
(8)基材；
(9)控制装置。
图2为用于表示本实施例的电熔成形方法的示意性说明图，图中省略了电源、自动送丝装置等装置。材料电源参数如下：
1)选用原料丝材101、直径3mm，C含量0.20-0.28，其它元素依据30Cr2Ni4MoV要求；
2)21个电熔头601；
3)电熔电源为直流电源，采用电熔头601接电源正极，基材201接电源负极；
4)电熔工艺参数为：电熔电流600A，电熔电压30V，电熔头601与基材201相对移动速度400～500mm/min；
5)基材201为42CrMo棒材,直径300mm，长12.5米。
采用金属构件电熔成形方法制作构件，其实施步骤如下：
(1)将基材201的轴线水平配置，并支撑在支撑滚轮架上上，先将21个电熔头601以500mm的间距(通过中央控制装置精确定位和排布)平均横向布置在基材201的上方，且调整好每个电熔头601与基材201表面(外周面)的距离，并选取电熔的起点；
(2)将原料丝材101与辅料301送至基材201表面，启动电源，导入高能热源，熔化原料丝材101及辅料301，同时转动基材201，开始每个电熔头601第一层第一道(每一层由轴向排列的多道构成)的电熔沉积；
(3)当电熔头601与电熔起点之间形成一段距离后，开始启动辅料301回收装置将其未熔化的辅料301收回，露出渣壳并将其清除，以便于下一道的电熔沉积(堆积)；随后启动冷却装置或加热装置对电熔沉积金属进行冷却或加热，将其基体(第一层时是指基材201，其他层时是指前一层堆积金属)的温度控制在200～300℃；
(4)当基材201转动一圈完成第一道电熔沉积时，在控制装置的控制下，所有电熔头601同时往左直线移动3/4熔道宽度距离，同时调整各电熔头601与基材201的表面之间的距离，以保证电熔的稳定性，之后开始第一层第二道的电熔沉积成形，此过程中要保证其左右圈道间搭接良好；
(5)当第二道完成后，重复步骤(4)再完成其它的电熔沉积道的成形，当达到最后一道时，其相邻电熔头601的最后一道结束点与第一道起点要搭接良好，以至完成第一层的电熔沉积；
(6)当完成第一层的电熔沉积后，所有电熔头601自动提升一层沉积厚度(即层后)之高度，第一层电熔头601的结束点即为第二层第一道的开始点，重复(1)-(4)的操作完成第二层的堆积；
(7)重复(6)的操作沿CAD切片轨迹完成需要层数堆积，使工件初步成为一个轴体；
(8)对图示工件形状(轴体上的突起)，中央控制装置按照CAD切片轨迹，确定后续参与堆积电熔头，并控制各电熔头601重新排布和定位；
(9)按照转子构件的CAD切片轨迹操作,并适时控制特定电熔头工作与停止,对工作电熔头按照(1)至步骤(7)，完成其它电熔沉积层，最终连续电熔沉积形成整个转子钢构件。
电熔成形后，机加工去除基材201即获得所需低压转子材料。
本实施例中，所述转子的材料为30Cr2Ni4MoV材料，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.15-0.25％，电熔制得的材料C含量0.10-0.18％，晶粒度7-10级。
采用本实施例，由于是多个(21个)电熔头601并排排布成形，因而，能够提高成形效率。
Claims (6)
1.一种核电常规岛低压转子电熔成形方法，其特征在于:
该方法是采用电弧热、电阻热、电渣热复合而成的高能热源，熔化连续输送的金属原料丝材，在基材上逐层凝固堆积成形制造转子构件；
将电熔头与基材接至电源两极，成形时金属原料丝材经由输送机构和电熔头送至基材表面，在颗粒状辅料的堆积保护下，原料丝材与基材间产生电弧，熔化部分堆敷辅料形成熔融渣池，电流流过原料丝材和熔融辅料渣池形成电阻热和电渣热，在电弧热、电阻热、电渣热三种热复合高能热源作用下使原料丝材熔化，在基材表面形成局部熔池，持续输送原料丝材与辅料，根据成形构件的分层切片数据，采用计算机控制电熔头与基材的相对移动，实现熔池在基材上快速冷却逐层凝固堆积，最终逐层堆积成形核电常规岛低压转子，
所述核电常规岛低压转子的材料为30Cr2Ni4MoV材料，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.20-0.28％，电熔制得的材料C含量0.10-0.18％，晶粒度7-10级。
2.根据权利要求1所述的核电常规岛低压转子电熔成形方法，其特征在于:
原料丝材按照转子材料要求制备,原料丝材直径2-5mm。
3.根据权利要求1所述的核电常规岛低压转子电熔成形方法，其特征在于:
根据原料丝材直径不同，电源参数中的电流为200A～1500A，电压为20V～40V，电源可以是直流或交流电源，在使用直流电源时，电熔头可接正极或负极。
4.根据权利要求1所述的核电常规岛低压转子电熔成形方法，其特征在于:
根据成形工件要求，对基材或堆积金属进行加热或冷却，控制基材或堆积金属层的表面温度为100～400℃。
5.根据权利要求1所述的核电常规岛低压转子电熔成形方法，其特征在于:
根据转子钢尺寸和效率要求，电熔头的数量设定为1～100个，多电熔头排布时，相邻电熔头间距为50～500mm。
6.根据权利要求1所述的核电常规岛低压转子电熔成形方法，其特征在于:
所述基材为钢管或钢棒，外径100-300mm，基材长度与转子长度一致，用于为转子工件提供工装支撑，并在工件成形后机加工去除，基材为钢管时，管壁壁厚不小于10mm。
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