CN109986285B - 一种堆内构件整体式上支承结构成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于反应堆结构设计领域，具体涉及一种堆内构件整体式上支承结构成形方法；本发明的目的是，针对现有技术不足，提供一种采用电熔增材制造技术，制造出堆内构件整体式上支承结构的堆内构件整体式上支承结构成形方法；取消了型材、配套焊材的生产，缩短了生产周期；取消了所有的全焊透焊缝，避免了结构的焊接变形，提高了成形质量；采用了整体成形的上支承结构，结构连续性好，力学性能更好；整体成形的上支承结构的结构材料性能均匀，尤其是结构厚度方向材料性能无差异；制造工艺大大简化，制造周期大幅度缩短。

Description

一种堆内构件整体式上支承结构成形方法
技术领域
本发明属于反应堆结构设计领域，具体涉及一种堆内构件整体式上支承结构成形方法。
背景技术
堆内构件上支承结构是反应堆结构的关键部件，目前常用的制造工艺过程为：先卷板焊接形成裙筒，将由锻件加工而成的上支承法兰和上支承板与裙筒进行全焊透焊接连接为整体，需要的原材料有板材、锻件和配套焊材。该制造工艺的时间周期较长，焊接过程较复杂，变形量较大。
电熔增材制造技术是一种3D打印技术，是相对于传统的机加工等减材制造技术而言，通过材料的逐渐累积来实现制造的技术，这种制造技术无需传统的型材生产和组装焊接，可以实现传统工艺难以或无法加工的复杂结构的制造，可以有效简化生产工序，缩短制造周期。电熔增材制造技术以特殊钢丝材/粉末及特殊冶金辅材为原材料，通过强电流高效原位冶金熔化、逐层堆积实现上支承结构的制造，大大简化了制造工艺，取消了全焊透焊缝，降低了制造难度，缩短了制造周期。
发明内容
本发明的目的是，针对现有技术不足，提供一种采用电熔增材制造技术，制造出堆内构件整体式上支承结构的堆内构件整体式上支承结构成形方法。
本发明的技术方案是：
一种堆内构件整体式上支承结构成形方法，包括以下步骤：
步骤一、选择电熔增材制造原材料，选择满足要求的Z2CN19-10控氮丝材和辅料，丝材直径在0.8mm～4mm之间；
步骤二、根据所需制造的堆内构件上支承结构的图纸，并考虑材料检验相关的检验取样尺寸余量，确定增材制造程序编写；
步骤三、清理增材用基板表面，并打磨抛光基板表面；
步骤四、采用以电弧为热源，以送丝熔覆方法进行上支承板(3)的成形，逐层熔覆堆积，直到完成设计所需增材制造的尺寸，熔覆堆积时，电熔基体预热温度不低于15℃，道间温度不大于180℃；
步骤五、上支承板(3)打印成形后，采用同样方法完成上支承法兰(1)和裙筒(2)的成形；
步骤六、对电熔增材成形的整体式上支承结构进行固溶热处理，热处理制度为：(1000～1100)℃×(1～4)h+水冷，固溶热处理次数不超过2次，固溶热处理后的晶粒度等级为4～7级；
步骤七、电熔增材成形后，对整体式上支承结构进行机加工，直至达到图纸要求的最终尺寸和表面粗糙度要求；
步骤八、加工完成后，对整体式上支承结构进行尺寸稳定化处理，尺寸稳定化处理的温度为(400～450)℃×(6～12)h；
步骤九、对整体式上支承结构进行液体渗透检验；
检验包括以下四个步骤：
(1)在整个液体渗透检验过程中，被检验件和渗透剂的温度应保持在10℃～50℃之间，液体渗透剂停留时间至少应为20分钟，且在整个渗透时间内，渗透剂必须保持湿润状态；
(2)使用温度为10℃～45℃的去离子水去除多余的渗透剂，用干净海绵或吸水纸进行擦洗，也可用小于2bar的水冲洗，但要防止过清洗，采用自然干燥；
(3)在待检表面干燥后涂敷一层又细又均匀的显像剂；
(4)用裸眼在不小于500Lux光照下进行观察。必须在干燥后10～30分钟内评定完毕。
步骤十、液体渗透检验只记录大于2mm的缺陷显示，要求不允许出现以下缺陷：
(1)线性显示缺陷；
(2)最大尺寸大于4mm的圆形显示缺陷；
(3)3个或3个以上缺陷显示在一条直线上，并且显示边与边之间的距离小于3mm；
(4)面积为100cm2的矩形框范围内存在5个或5个以上显示，矩形框选择在显示最密集的区域且矩形框的最大边长不大于20cm；
步骤十一、对整体式上支承结构进行超声波检验；
包括以下步骤：
(1)检测用探头的标称频率为1MHz～2.5MHz；
(2)直探头的晶片直径为Φ10mm～Φ40mm，斜探头的晶片面积在300mm2～625mm2；
(3)斜探头的折射角(K值)，一般为35℃～63℃(K0.7～K2)；
(4)对比试块的晶粒大小和声学特性应与被检件大致相近，两者衰减系数的差值不大于4Db/m；
(5)检测时耦合方式采用直接接触法，并根据实际情况进行耦合补偿、衰减补偿和曲面补偿；
步骤十二、超声波检验不允许出现以下两种缺陷：
(1)任何体积型显示，其缺陷反射波最大幅度Hd>参照试块圆孔上反射波幅值Hr/2，其长度等于或大于100mm；
(2)连续未熔合显示，其反射波高大于等于参考波高。
本发明的有益效果是：
1、取消了型材、配套焊材的生产，缩短了生产周期。
2、取消了所有的全焊透焊缝，避免了结构的焊接变形，提高了成形质量；
3、采用了整体成形的上支承结构，结构连续性好，力学性能更好；
4、整体成形的上支承结构的结构材料性能均匀，尤其是结构厚度方向材料性能无差异；
5、制造工艺大大简化，制造周期大幅度缩短。
附图说明
图1是采用各零部件组装焊接成形的上支承结构示意图；
图2是采用电熔增材成形的整体式上支承结构示意图；
图中：1—上支承法兰；2—裙筒；3—上支承板。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的介绍：
一种堆内构件整体式上支承结构成形方法，包括以下步骤：
步骤一、选择电熔增材制造原材料，选择满足要求的Z2CN19-10控氮丝材和辅料，丝材直径在0.8mm～4mm之间；
步骤二、根据所需制造的堆内构件上支承结构的图纸，并考虑材料检验相关的检验取样尺寸余量，确定增材制造程序编写；
步骤三、清理增材用基板表面，并打磨抛光基板表面；
步骤四、采用以电弧为热源，以送丝熔覆方法进行上支承板(3)的成形，逐层熔覆堆积，直到完成设计所需增材制造的尺寸，熔覆堆积时，电熔基体预热温度不低于15℃，道间温度不大于180℃；
步骤五、上支承板(3)打印成形后，采用同样方法完成上支承法兰(1)和裙筒(2)的成形；
步骤六、对电熔增材成形的整体式上支承结构进行固溶热处理，热处理制度为：(1000～1100)℃×(1～4)h+水冷，固溶热处理次数不超过2次，固溶热处理后的晶粒度等级为4～7级；
步骤七、电熔增材成形后，对整体式上支承结构进行机加工，直至达到图纸要求的最终尺寸和表面粗糙度要求；
步骤八、加工完成后，对整体式上支承结构进行尺寸稳定化处理，尺寸稳定化处理的温度为(400～450)℃×(6～12)h；
步骤九、对整体式上支承结构进行液体渗透检验；
检验包括以下四个步骤：
(1)在整个液体渗透检验过程中，被检验件和渗透剂的温度应保持在10℃～50℃之间，液体渗透剂停留时间至少应为20分钟，且在整个渗透时间内，渗透剂必须保持湿润状态；
(2)使用温度为10℃～45℃的去离子水去除多余的渗透剂，用干净海绵或吸水纸进行擦洗，也可用小于2bar的水冲洗，但要防止过清洗，采用自然干燥；
(3)在待检表面干燥后涂敷一层又细又均匀的显像剂；
(4)用裸眼在不小于500Lux光照下进行观察。必须在干燥后10～30分钟内评定完毕。
步骤十、液体渗透检验只记录大于2mm的缺陷显示，要求不允许出现以下缺陷：
(1)线性显示缺陷；
(2)最大尺寸大于4mm的圆形显示缺陷；
(3)3个或3个以上缺陷显示在一条直线上，并且显示边与边之间的距离小于3mm；
(4)面积为100cm2的矩形框范围内存在5个或5个以上显示，矩形框选择在显示最密集的区域且矩形框的最大边长不大于20cm；
步骤十一、对整体式上支承结构进行超声波检验；
包括以下步骤：
(1)检测用探头的标称频率为1MHz～2.5MHz；
(2)直探头的晶片直径为Φ10mm～Φ40mm，斜探头的晶片面积在300mm2～625mm2；
(3)斜探头的折射角(K值)，一般为35℃～63℃(K0.7～K2)；
(4)对比试块的晶粒大小和声学特性应与被检件大致相近，两者衰减系数的差值不大于4Db/m；
(5)检测时耦合方式采用直接接触法，并根据实际情况进行耦合补偿、衰减补偿和曲面补偿；
步骤十二、超声波检验不允许出现以下两种缺陷：
(1)任何体积型显示，其缺陷反射波最大幅度Hd>参照试块圆孔上反射波幅值Hr/2，其长度等于或大于100mm；
(2)连续未熔合显示，其反射波高大于等于参考波高。
实施例
现有反应堆堆内构件上支承结构设计中，基于各零部件采用组装后焊接的工艺，上支承结构分为上支承法兰(1)、裙筒(2)和上支承板(3)，如图1。裙筒(2采用板材卷制成筒状结构，沿筒状结构的轴向进行全焊透焊接成形，再将上支承法兰(1)、裙筒(2)和上支承板(3)组装后进行环向全焊透焊接，制造出完整的上支承结构。
本发明是基于电熔增材制造技术，将上支承结构设计为整体式结构，即取消各结构之间的连接焊缝和对锻件、板材等原材料的特殊要求。基于电熔增材制造技术，将上支承结构逐层堆积成型，获得整体式上支承结构，如附图2。
本发明的技术方案是：
1)选择电熔增材制造原材料，选择化学成分和力学性能满足以下要求的Z2CN19-10(控氮)丝材和辅料，丝材直径在0.8mm～4mm之间；
表1化学成分要求
Figure BDA0001531896370000071
表2力学性能要求
Figure BDA0001531896370000072
2)根据所需制造的堆内构件上支承结构的图纸，并考虑材料检验相关的检验取样尺寸余量，确定增材制造程序编写；
3)清理增材用基板表面，并打磨抛光基板表面；
4)采用以电弧为热源，以送丝熔覆方法进行图1所示的上支承板(3)的成形，逐层熔覆堆积，直到完成设计所需增材制造的尺寸，熔覆堆积时，电熔基体预热温度不低于15℃，道间温度不大于180℃；
5)上支承板(3)打印成形后，采用同样方法完成上支承法兰(1)和裙筒(2)的成形；
6)对电熔增材成形的整体式上支承结构进行固溶热处理，热处理制度为：(1000～1100)℃×(1～4)h+水冷，固溶热处理次数不超过2次，固溶热处理后的晶粒度等级为4～7级；
7)电熔增材成形后，对整体式上支承结构进行机加工，直至达到图纸要求的最终尺寸和表面粗糙度要求；
8)加工完成后，对整体式上支承结构进行尺寸稳定化处理，尺寸稳定化处理的温度为(400～450)℃×(6～12)h；
9)对整体式上支承结构按以下要求进行液体渗透检验：
●在整个液体渗透检验过程中，被检验件和渗透剂的温度应保持在10℃～50℃之间，液体渗透剂停留时间至少应为20分钟，且在整个渗透时间内，渗透剂必须保持湿润状态；
●使用温度为10℃～45℃的去离子水去除多余的渗透剂，用干净海绵或吸水纸进行擦洗，也可用小于2bar的水冲洗，但要防止过清洗，采用自然干燥；
●在待检表面干燥后涂敷一层又细又均匀的显像剂；
●用裸眼在不小于500Lux光照下进行观察。必须在干燥后10～30分钟内评定完毕(包括清洗时间)。
10)对整体式上支承结构按以下要求进行超声波检验：
●检测用探头的标称频率为1MHz～2.5MHz；
●直探头的晶片直径为Φ10mm～Φ40mm，斜探头的晶片面积在300mm2～625mm2；
●斜探头的折射角(K值)，一般为35℃～63℃(K0.7～K2)；
●对比试块的晶粒大小和声学特性应与被检件大致相近，两者衰减系数的差值不大于4Db/m；
检测时耦合方式采用直接接触法，并根据实际情况进行耦合补偿、衰减补偿和曲面补偿。

Claims (1)

1.一种堆内构件整体式上支承结构成形方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、选择电熔增材制造原材料，选择满足要求的Z2CN19-10控氮丝材和辅料，丝材直径在0.8mm～4mm之间；
步骤二、根据所需制造的堆内构件上支承结构的图纸，并考虑材料检验相关的检验取样尺寸余量，确定增材制造程序编写；
步骤三、清理增材用基板表面，并打磨抛光基板表面；
步骤四、采用以电弧为热源，以送丝熔覆方法进行上支承板(3)的成形，逐层熔覆堆积，直到完成设计所需增材制造的尺寸，熔覆堆积时，电熔基体预热温度不低于15℃，道间温度不大于180℃；
步骤五、上支承板(3)打印成形后，采用同样方法完成上支承法兰(1)和裙筒(2)的成形；
步骤六、对电熔增材成形的整体式上支承结构进行固溶热处理，热处理温度为：(1000～1100)℃×(1～4)h+水冷，固溶热处理次数不超过2次，固溶热处理后的晶粒度等级为4～7级；
步骤七、电熔增材成形后，对整体式上支承结构进行机加工，直至达到图纸要求的最终尺寸和表面粗糙度要求；
步骤八、加工完成后，对整体式上支承结构进行尺寸稳定化处理，尺寸稳定化处理的温度为(400～450)℃×(6～12)h；
步骤九、对整体式上支承结构进行液体渗透检验；
检验包括以下四个步骤：
(1)在整个液体渗透检验过程中，被检验件和渗透剂的温度保持在10℃～50℃之间，液体渗透剂停留时间至少为20分钟，且在整个渗透时间内，渗透剂必须保持湿润状态；
(2)使用温度为10℃～45℃的去离子水去除多余的渗透剂，用干净海绵或吸水纸进行擦洗，或用小于2bar的水冲洗，但要防止过清洗，采用自然干燥；
(3)在待检表面干燥后涂敷一层又细又均匀的显像剂；
(4)用裸眼在不小于500Lux光照下进行观察，必须在干燥后10～30分钟内评定完毕；
步骤十、液体渗透检验只记录大于2mm的缺陷显示，要求不允许出现以下缺陷：
(1)线性显示缺陷；
(2)最大尺寸大于4mm的圆形显示缺陷；
(3)3个或3个以上缺陷显示在一条直线上，并且显示边与边之间的距离小于3mm；
(4)面积为100cm2的矩形框范围内存在5个或5个以上显示，矩形框选择在显示最密集的区域且矩形框的最大边长不大于20cm；
步骤十一、对整体式上支承结构进行超声波检验；
包括以下步骤：
(1)检测用探头的标称频率为1MHz～2.5MHz；
(2)直探头的晶片直径为Φ10mm～Φ40mm，斜探头的晶片面积在300mm2～625mm2；
(3)斜探头的折射角，为35°～63°；
(4)对比试块的晶粒大小和声学特性与被检件相近，两者衰减系数的差值不大于4Db/m；
(5)检测时耦合方式采用直接接触法，并根据实际情况进行耦合补偿、衰减补偿和曲面补偿；
步骤十二、超声波检验不允许出现以下两种缺陷：
(1)任何体积型显示，其缺陷反射波最大幅度Hd>参照试块圆孔上反射波幅值Hr/2，其长度等于或大于100mm；
(2)连续未熔合显示，其反射波高大于等于参考波高。
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