CN110480009A - 一种钢梯度材料的取样管结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种钢梯度材料的取样管结构及其制作方法，所述取样管为中空的筒形结构，所述取样管包括梯形过渡层及分别设置在梯形过渡层两侧的合金A管段及合金B管段；所述制作方法包括：1）建立取样管结构的三维模型，并对三维模型进行分层切片处理，设置扫描方向、轨迹以及切片层厚度；2）将T91、321H两种合金的球形粉末分别放入双桶送粉器的两个送粉桶中，调整送粉转速，即通过控制两个送粉桶的转速来调整两种球形粉末的比例，再通过送粉管路将两种球形粉末汇聚成一路后输送到激光加工头；3）根据每一层的成分变化来调整激光加工头的工艺参数，逐层制造，最终实现取样管结构沿轴向成分的有序过渡。

Description

一种钢梯度材料的取样管结构及其制作方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种钢梯度材料的取样管结构及其制作方法。

背景技术

电站锅炉的蒸汽管道需要引出一些取样管，由于蒸汽管道通常采用马氏体钢（如T/P91、T/P92等），而取样管通常采用奥氏体钢（如321H、316L等），因此不可避免的存在大量异种钢管接头。目前广泛采用异种钢管焊接，将两种不同成分的取样管通过镍基焊条焊接在一起，如T91与321H采用ERNiCr-3镍基焊条焊接。上述焊接工艺，必定会产生一层性能和组织与母材不同的界面，由于异种金属在元素成分、物理性能、化学性能等方面有显著差异，会产生以下一些问题：

1、异种金属的熔点不同，互溶性差，熔合面强度低；焊接时，低熔点的材料达到熔化状态时，高熔点的材料仍呈固态，导致互溶性差，还容易造成低熔点材料的烧损或蒸发，两者的熔合面强度相对较低。2、异种材料的线膨胀系数差异大，在热应力作用下容易开裂；线膨胀系数越大的材料，热膨胀率越大，冷却收缩也越大，熔池结晶时会产生很大的焊接应力。这种焊接应力不易消除，容易导致焊缝及热影响区产生裂纹，甚至导致焊缝金属与母材剥离。3、异种材料成分差异大，熔合面容易发生元素扩散，长期服役后性能下降；熔合面两侧材料的成分不同，化学势差异大，长期服役后，元素发生互扩散，会在熔合面附近产生组织变化，导致焊接接头的力学性能下降。

围绕上述问题，国内外已开展过一些研究，例如改变焊缝填充金属、改进焊接工艺，降低热输入量、采用多道次焊接等等，这些方法虽然能够在一定程度上缓解异种钢焊接中存在的问题，但都无法彻底消除熔合面两侧材料性能阶跃的特性。因此，能够改善异种钢接头性能的制造方法亟待开发。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种工艺先进、产品性能显著提升的钢梯度材料的取样管结构及其制作方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种钢梯度材料的取样管结构，包括用于电站锅炉蒸汽管道的取样管，所述取样管为中空的筒形结构，所述取样管包括梯形过渡层及分别设置在梯形过渡层两侧的合金A管段及合金B管段。

一种所述取样管结构的制作方法，所述方法包括如下步骤：

1）建立取样管结构的三维模型，并对三维模型进行分层切片处理，设置扫描方向、轨迹以及切片层厚度；

2）将T91、321H两种合金的球形粉末分别放入双桶送粉器的两个送粉桶中，调整送粉转速，即通过控制两个送粉桶的转速来调整两种球形粉末的比例，再通过送粉管路将两种球形粉末汇聚成一路后输送到激光加工头；

3）根据每一层的成分变化来调整激光加工头的工艺参数，逐层制造，最终实现取样管结构沿轴向成分的有序过渡。

进一步地，所述步骤2）中， T91、321H两种合金的球形粉末的直径范围为50μm—150μm。

进一步地，步骤2）中，所述双桶送粉器为载气式双桶送粉器，该载气式双桶送粉器的送粉转速为0r/min—5r/min，载气流量为0L/min—20L/min。

进一步地，步骤2）中，所述调整送粉转速具体包括：先调整A合金送粉转速为1r/min，B合金送粉转速为0r/min，单一输送合金A的球形粉末并制造出长度为10mm—150mm的合金A管段；然后逐层增加合金B的送粉转速，提高合金B的送粉比例同时降低合金A的送粉转速，直至合金A的送粉转速为0r/min，B合金送粉转速为1r/min，并制造出长度为5mm—10mm，且混合两种合金成分的线性过渡管段；最后以合金A的送粉转速为0r/min，B合金送粉转速为1r/min，单一输送合金B的球形粉末并制造出长度为10mm—150mm的合金B管段。

进一步地，步骤3）中，所述工艺参数包括分层厚度、搭接率、激光功率、扫描速度、光斑直径、保护气流量及载气流量，分层厚度为0.3mm—0.6mm，搭接率为50%—60%，激光功率为800W—1200W，扫描速度为600mm/min—800mm/min，光斑直径为2mm—5mm，保护气流量为15L/min—20L/min，载气流量为5L/min—8L/min。

本发明的有益技术效果在于：本发明通过激光增材制造工艺，实现了T91与321H异种钢取样管的成分有序过渡。通过成分有序过渡，一方面降低了异种钢管接头两侧膨胀系数等物理性能的差异，降低高温运行时热应力；另一方面，降低了异种钢管接头两侧的化学成分浓度梯度，提高组织稳定性以及高温时效后的力学性能，延长使用寿命。本发明解决了目前在电站大量使用的异种钢取样管焊接接头由于化学成分以及物理性能突变导致的力学性能差、容易发生开裂的问题，具有显著的安全及经济效益。

附图说明

图1为本发明所述取样管结构的结构示意图；

图2为制作所述取样管结构的设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

如图1-2所示，本发明所述的一种钢梯度材料的取样管结构，包括用于电站锅炉蒸汽管道的取样管1，所述取样管1为中空的筒形结构，所述取样管1包括梯形过渡层2及分别设置在梯形过渡层2两侧的合金A管段3及合金B管段4。

一种所述取样管结构的制作方法，所述方法包括如下步骤：

1）建立取样管结构的三维模型，并对三维模型进行分层切片处理，设置扫描方向、轨迹以及切片层厚度；

2）将T91、321H两种合金的球形粉末分别放入双桶送粉器5的两个送粉桶6中，调整送粉转速，即通过控制两个送粉桶6的转速来调整两种球形粉末的比例，再通过送粉管路7将两种球形粉末汇聚成一路后输送到激光加工头8；

3）根据每一层的成分变化来调整激光加工头8的工艺参数，逐层制造，最终实现取样管结构沿轴向成分的有序过渡。

进一步地，所述步骤2）中， T91、321H两种合金的球形粉末的直径范围为50μm—150μm。

进一步地，步骤2）中，所述双桶送粉器为载气式双桶送粉器，该载气式双桶送粉器的送粉转速为0r/min—5r/min，载气流量为0L/min—20L/min。

进一步地，步骤2）中，所述调整送粉转速具体包括：先调整A合金送粉转速为1r/min，B合金送粉转速为0r/min，单一输送合金A的球形粉末并制造出长度为10mm—150mm的合金A管段；然后逐层增加合金B的送粉转速，提高合金B的送粉比例同时降低合金A的送粉转速，直至合金A的送粉转速为0r/min，B合金送粉转速为1r/min，并制造出长度为5mm—10mm，且混合两种合金成分的线性过渡管段；最后以合金A的送粉转速为0r/min，B合金送粉转速为1r/min，单一输送合金B的球形粉末并制造出长度为10mm—150mm的合金B管段。

进一步地，步骤3）中，所述工艺参数包括分层厚度、搭接率、激光功率、扫描速度、光斑直径、保护气流量及载气流量，分层厚度为0.3mm—0.6mm，搭接率为50%—60%，激光功率为800W—1200W，扫描速度为600mm/min—800mm/min，光斑直径为2mm—5mm，保护气流量为15L/min—20L/min，载气流量为5L/min—8L/min。

梯度材料是一种新型的复合型材料，其通过特殊的设计和构造，实现材料的成份和性能缓慢变化，使其满足特定的功能需求。由于梯度材料的这种梯度性能特征，使得其具有一般复合材料无法比拟的优点，因而具有极高的应用价值和研究前景。激光增材制造技术是通过激光熔化同步送出的原材料，逐层堆积而实现增材制造，可以加工复杂形状的零件，而且材料利用率高。相较于传统制造工艺，其特殊的优势在于粉末成分的可设计性，针对其逐层制造的特点，通过改变每层粉末配比，可以实现材料成分自下而上的有序过渡。

实施例：

为了解决不能实现对梯度材料种类或成份的调整，无法实现完全自由的成份调控等问题，本发明提供一种基于同轴送粉的梯度材料打印方法。

步骤1：建立一个异种钢取样管的三维模型，其外径为16mm，壁厚4mm，长度为110mm，对三维模型进行分层切片处理，设置扫描方向和扫描轨迹，设置工艺参数，工艺参数包括送粉器数量，切片层厚度，扫描速度，激光功率以及搭接率，完成并导出加工程序；

步骤2：将T91、321H两种合金的球形粉末烘干后分别放入送粉器的两个送粉桶中，两种合金的球形粉体直径在50μm—150μm；

步骤3：采用压力为0 .4MPa—0 .6MPa、纯度为99 .99%的氮气作为输送介质，分别将所述两个送粉器内对应的球形粉体送至连接激光器加工头的送粉管内，并在送粉管内的输送过程中完成两种粉体的均匀混合，所述两种粉体的输送比例可通过送粉器进行调节，且任意一种粉体的送粉比例均可在0%—100%之间调节，调整送粉转速比例后，根据导出的加工程序在加工仓的基板上执行加工程序，根据制定对的工艺参数表逐层调整送粉转速，完成零件的增材制造；

采用设定的环形扫描路径，调整送粉转速，先调整321H送粉转速为1r/min，T91送粉转速为0r/min，制造出长度50mm的321H管段；然后逐层增加T91的送粉转速，根据表1所列过渡区粉末送粉转速设定表进行成分梯度过渡，随着打印层数的增加，在提高T91的送粉比例同时降低321H的送粉转速，制造出长度在10mm的成分梯度过渡管段；最后以321H的粉体转速为0r/min，T91送粉转速为1r/min，制造出长度50mm的T91管段。

本发明通过激光增材制造工艺，实现了T91与321H异种钢取样管的成分有序过渡。通过成分有序过渡，一方面降低了异种钢管接头两侧膨胀系数等物理性能的差异，降低高温运行时热应力；另一方面，降低了异种钢管接头两侧的化学成分浓度梯度，提高组织稳定性以及高温时效后的力学性能，延长使用寿命。本发明解决了目前在电站大量使用的异种钢取样管焊接接头由于化学成分以及物理性能突变导致的力学性能差、容易发生开裂的问题，具有显著的安全及经济效益。

本文中所描述的具体实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种钢梯度材料的取样管结构，包括用于电站锅炉蒸汽管道的取样管，其特征在于，所述取样管为中空的筒形结构，所述取样管包括梯形过渡层及分别设置在梯形过渡层两侧的合金A管段及合金B管段。

2.一种如权利要求1所述取样管结构的制作方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1）建立取样管结构的三维模型，并对三维模型进行分层切片处理，设置扫描方向、轨迹以及切片层厚度；

2）将T91、321H两种合金的球形粉末分别放入双桶送粉器的两个送粉桶中，调整送粉转速，即通过控制两个送粉桶的转速来调整两种球形粉末的比例，再通过送粉管路将两种球形粉末汇聚成一路后输送到激光加工头；

3）根据每一层的成分变化来调整激光加工头的工艺参数，逐层制造，最终实现取样管结构沿轴向成分的有序过渡。

3.根据权利要求2所述的取样管结构的制作方法，其特征在于，步骤2）中，所述T91、321H两种合金的球形粉末的直径范围为50μm—150μm。

4.根据权利要求2所述的取样管结构的制作方法，其特征在于，步骤2）中，所述双桶送粉器为载气式双桶送粉器，该载气式双桶送粉器的送粉转速为0r/min—5r/min，载气流量为0L/min—20L/min。

5.根据权利要求2所述的取样管结构的制作方法，其特征在于，步骤2）中，所述调整送粉转速具体包括：先调整A合金送粉转速为1r/min，B合金送粉转速为0r/min，单一输送合金A的球形粉末并制造出长度为10mm—150mm的合金A管段；然后逐层增加合金B的送粉转速，提高合金B的送粉比例同时降低合金A的送粉转速，直至合金A的送粉转速为0r/min，B合金送粉转速为1r/min，并制造出长度为5mm—10mm，且混合两种合金成分的线性过渡管段；最后以合金A的送粉转速为0r/min，B合金送粉转速为1r/min，单一输送合金B的球形粉末并制造出长度为10mm—150mm的合金B管段。

6.根据权利要求2所述的取样管结构的制作方法，其特征在于，步骤3）中，所述工艺参数包括分层厚度、搭接率、激光功率、扫描速度、光斑直径、保护气流量及载气流量，分层厚度为0.3mm—0.6mm，搭接率为50%—60%，激光功率为800W—1200W，扫描速度为600mm/min—800mm/min，光斑直径为2mm—5mm，保护气流量为15L/min—20L/min，载气流量为5L/min—8L/min。