CN207086904U - 一种具有新型耐磨层结构的钩爪 - Google Patents
一种具有新型耐磨层结构的钩爪 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开一种具有新型耐磨层结构的核电站控制棒驱动机构钩爪及其制造方法。该钩爪结构为：销孔的耐磨层外形为方形；钩齿与基体的结合面为平面。本实用新型采用激光3D打印技术，制造步骤如下：S1：建立毛坯三维数模；S2：制定激光沉积制造方案，并对数模进行分解、切片和激光扫描路径规划；S3：设定制造参数并编制工艺控制程序；S4：完成制造前准备工作；S5：按照设定的程序进行激光沉积制造；S6：将钩爪毛坯从基板切割分离，然后进行热处理；S7：对热处理后的钩爪毛坯进行机加工获得钩爪成品。本实用新型制造的钩爪具有比氧乙炔堆焊钩爪更好的力学性能，生产过程完全自动控制，不受操作人员影响，适合批量生产，可以完全替代氧乙炔堆焊钩爪。
Description
技术领域
本实用新型属于激光增材制造领域，涉及用于核电站控制棒驱动机构钩爪的一种新型结构及制造方法。
背景技术
控制棒驱动机构是核电站反应堆的关键设备，也是反应堆本体上唯一的动设备。钩爪组件是控制棒驱动机构中最核心、最关键的零件之一。反应堆的启动、功率调节、功率保持、正常停堆和事故停堆等功能操作，就是依靠两组钩爪按照时序运动的摆进摆出方式完成驱动杆带动堆芯控制棒的提升、下插动作来实现。
核电技术的发展对反应堆系统和设备的安全性、可靠性和经济性都提出了更高的要求。作为易损件，钩爪的耐磨损、耐热性、耐腐蚀等特性直接决定整个控制棒驱动机构的使用寿命。堆焊型钩爪由于其优越抗冲击性、耐腐蚀性，不易崩齿、断裂和碎裂，含钴量低和更好的耐磨性而被广泛采用。但由于其在小孔内进行氧乙炔手工堆焊的操作难度高，工艺稳定性差、生产效率低、产品合格率低，国内相关单位的产品没有实际工程应用价值。国内核电工程使用的该种钩爪几乎全部采用进口。堆焊型钩爪、连杆成为控制棒驱动机构中唯一没有实现批量化国产的零件。
激光增材制造是通过将三维构件解构为二维后再利用高能激光束进行堆叠制造的技术。对于复杂构件、难熔材料的加工制造具有独特优势。本实用新型就是提供一种具有新型耐磨层结构的钩爪及其激光沉积制造方法。
实用新型内容
本实用新型提供了一种具有新型耐磨层结构的钩爪，使其具有晶粒细小，力学性能好，耐磨层硬度均匀可控的优点，从而克服现有钩爪存在的不足。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种具有新型耐磨层结构的钩爪，所述钩爪为核电站控制棒驱动机构钩爪，所述钩爪采用激光沉积制造方法制造，且所述钩爪的销孔耐磨层外形为正方形结构，所述钩爪的钩齿与基体的结合面为平面结构。
作为本实用新型的一种改进，所述钩爪的销孔耐磨层与基体的结合面为平面结构。
进一步改进，所述钩爪的销孔耐磨层正方形结构的边长为10.5～19.0mm。
进一步改进，所述基体采用00Cr18Ni9N控氮奥氏体不锈钢粉末制成；所述钩爪的销孔耐磨层以及钩齿采用Stellite 6钴基合金粉末制成。
本实用新型提供的钩爪具有晶粒细小，力学性能好，耐磨层硬度均匀可控，残余应力小等优势。本实用新型提供的激光沉积制造方法与传统手工氧乙炔堆焊工艺依赖操作工人不同，生产过程全自动控制，激光沉积制造系统全封闭，不受外界环境和操作人员技术水平和工作状态的影响，生产成品率高，具有产品批量化生产优势。
附图说明
附图和实施例可以对本实用新型进一步说明，附图如下：
图1氧乙炔堆焊钩爪结构示意图；
图2氧乙炔堆焊钩爪下销孔耐磨层结构示意图；
图3氧乙炔堆焊钩爪钩齿与基体结合面示意图；
图4激光沉积制造钩爪结构示意图；
图5激光沉积制造钩爪下销孔耐磨层结构示意图；
图6激光沉积制造钩爪钩齿与基体结合面示意图；
图7激光沉积制造钩爪毛坯结构示意图；
图8激光沉积制造钩爪毛坯销孔层切片示意图；
图9激光沉积制造钩爪毛坯销孔层切片激光扫描路径规划图；
图10激光沉积Stellite 6热处理硬度-温度曲线；
图11激光沉积控氮奥氏体不锈钢热处理硬度-温度曲线；
图12激光沉积制造钩爪毛坯机加工销孔轴心定位示意图。
编号说明：1——氧乙炔堆焊钩爪基体，2——氧乙炔堆焊钩爪下销孔及其耐磨层，3——氧乙炔堆焊钩爪上销孔及其耐磨层，4——氧乙炔堆焊钩爪钩齿耐磨层；5——激光沉积钩爪基体，6——激光沉积钩爪下销孔及其耐磨层，7——激光沉积钩爪上销孔及其耐磨层，8——激光沉积钩爪钩齿耐磨层；9——激光沉积制造钩爪毛坯底部，10——激光沉积制造钩爪毛坯销孔耐磨层，11——激光沉积制造钩爪毛坯结合层，12——激光沉积制造钩爪毛坯钩齿层；13——激光沉积制造钩爪毛坯下销孔区，14——激光沉积制造钩爪毛坯上销孔区；15——激光沉积制造钩爪毛坯下销孔轴心，16——激光沉积制造钩爪毛坯上销孔轴心。
具体实施方式
氧乙炔堆焊钩爪的制造方法是：采用00Cr18Ni9N控氮奥氏体不锈钢锻棒机加工成钩爪基体1，在基体上加工销孔；其中下销孔2加工成带有一定倾角的对称锥形孔，如图2所示；钩齿面铣加工出凹槽面，如图3所示；然后再用Stellite 6钴基合金焊丝进行氧乙炔堆焊销孔耐磨层2和3，在钩齿面堆焊钩齿4；然后对毛坯进行退火处理，最后进行成品机加工。该工艺的难点之一是销孔内耐磨层的堆焊。钩爪的销孔是一种小直径深孔，在该孔内主要依靠手工操作进行堆焊。Stellite 6钴基合金虽然具有良好的耐磨性，但却是一种残余应力敏感材料，耐磨层与基体控氮奥氏体不锈钢的结合面由于残余应力的存在极易开裂；且手工堆焊时，操作人员的技术水平和工作状态会影响耐磨层的渗碳量，导致耐磨硬度超标且分布不均匀；因此该工艺对操作人员的依赖性较强，工艺稳定性极差。
激光增材制造技术是将三维构件分解为二维平面图形，再利用激光数字化加工系统将粉末快速熔化成形二维图形结构，逐层堆积制造产品的一种全新的制造工艺，激光沉积制造技术是激光增材制造技术中的一种。本实用新型利用激光沉积制造技术制造钩爪的步骤包括：
a、建立钩爪毛坯三维数字模型；
b、制定钩爪激光沉积制造方案，并对数模进行分解、切片和激光扫描路径规划；
c、设定激光沉积制造参数，编制激光沉积制造工艺控制程序；
d、完成激光沉积制造前准备工作；
e、按照工艺程序文件进行激光沉积制造；
f、将钩爪毛坯从基板上切割分离，然后进行热处理；
g、对热处理后的钩爪毛坯进行粗加工并进行无损检测；
h、对无损检测合格的钩爪毛坯进行精加工，制造成品钩爪；
I、对成品钩爪进行尺寸和外观检验。
下面以实例介绍每一步骤的具体方式：
a、建立钩爪毛坯数字模型
根据钩爪成品数字模型，首先设计钩爪机加工坯料数字模型；再根据激光沉积工艺特征和内部质量检测要求，各个加工面都增加加工余量，从而获得激光沉积制造钩爪毛坯的数值模型；
本实用新型中钩爪销孔直径为正方形销孔耐磨层边长必然大于销孔直径，小于钩爪侧面的宽度19mm。本实用新型耐磨区分别采用边长10.5mm，14mm和19mm进行了设计制造。
b、制定钩爪激光沉积制造方案，并对数模进行分解、切片和激光扫描路径规划
根据毛坯的三维数值模型结构和激光沉积制造工艺特点，设计毛坯的成形方案。根据钩爪毛坯呈L形的特点，本实用新型采用钩齿朝上平躺放置，沿箭头所指竖直方向逐层堆积生长的成形方案，如图7所示；
按照该方案生长时，从底部到钩齿会有四个不同的组成部分。第一部分9为控氮奥氏体不锈钢底部基体，第二部分10为位于中间的带有销孔耐磨层的由控氮奥氏体不锈钢基体、上销孔Stellite 6区13和下销孔Stellite 6区14组成，第三部分是衔接层纯控氮奥氏体不锈钢11，第四部分是Stellite 6钩齿层12；
第一部分底部9、第三部分顶层11和第四部分Stellite 6钩齿层12都是单一材料区，第一部分和第三部分都是控氮奥氏体不锈钢，第四部分为Stellite 6钴基合金。切片处理较为简单，可以分区也可以不分区，由于钩爪尺寸较小，本实用新型中对该三部分的切片未再进行分区设定扫描路径。切片进行激光扫描路径规划时，为了降低和消减应力累积，一般要求相邻两层的激光扫描路径要成一定角度错开。本实用新型中，相邻两层切片的激光扫描路径呈90°垂直；
第二部分销孔耐磨层包含控氮奥氏体不锈钢和Stellite 6钴基合金两种材料，共5个区域。因此，本实用新型中，第二部分的切片分为五个区，如图8所示，其中13和14是Stellite 6区域，其余三个区域为控氮奥氏体不锈钢。在本实用新型中，Stellite 6区13和14的宽度有三种，分别是10.5mm，14mm和19mm；
在进行激光扫描路径规划时，除相邻两层切片的激光扫描路径成一定角度外，同一切片中相邻两区的激光扫描路径也要成一定角度。本实用新型都是呈90°，如图9所示，图9(a)和图9(b)是相邻两个切片的激光扫描路径规划；
在扫描路径规划时，设定扫描间距，即激光扫描搭接率。一般搭接率30％～50％之间。本实用新型搭接率为40％～45％。
c、设定激光沉积制造参数并编制激光沉积制造工艺控制程序
通过系统实验获得优化的00Cr18Ni9N控氮奥氏体不锈钢和Stellite 6钴基合金的激光沉积制造工艺参数。本实用新型优化了三种激光工艺参数如表1所示；
表1钩爪激光沉积制造工艺参数表
根据工艺参数和切片扫描路径，编制激光沉积制造工艺控制程序。
d、完成激光沉积制造前准备工作
激光沉积制造前的准备工作，分为四个方面：第一步，基材准备；第二步，工作台准备；第三部，原材料准备；最后是程序预运行；
首先是基材准备。由于激光沉积的是控氮奥氏体不锈钢，首选基材就是控氮奥氏体不锈钢板材。考虑到成本，可以其他不锈钢代替，如12Cr17Mn6Ni5N(201牌号)，12Cr18Mn9Ni5N(202牌号)，12Cr18Ni9(302牌号)，Y12Cr18Ni9(303牌号)，06Cr19Ni10(304牌号)等。本实用新型采用的是06Cr19Ni10中厚板，厚度30mm；
将基材清洗除油除锈，在烘干炉内加热烘干，烘干温度150℃，保温60min。然后对基材棱角打磨去除毛刺，表面打磨光亮清除氧化皮；
第二步，工作台准备。将烘干并打磨好的基材放置到激光沉积成形仓内的工作平台上并用夹具固定，该成形仓内充满氩气。调整激光沉积成形同轴送粉器到基材表面的距离，确保基材沉积面在激光焦点范围内。设定送粉器在基材上扫描的起点和终点，限定扫描范围。最后确认成形仓内的氧含量，只有低于50ppm时才能开始激光沉积制造；
第三步，原材料准备。本实用新型所用原材料为00Cr18Ni9N控氮奥氏体不锈钢粉末和Stellite 6钴基合金粉末。00Cr18Ni9N控氮奥氏体不锈钢粉末采用旋转电极工艺制备，化学成分符合RCC-M标准，粒度为-60目～200目。Stellite 6钴基合金粉末为气体雾化法制备的堆焊粉末，化学成分符合AWS A5.21标准，粉末粒度-100目～320目；
将粉末装入激光沉积数控系统的送粉器中，该送粉器至少具有两个送粉仓，可以实现至少两种粉末材料的同时激光沉积制造。本实用新型所用送粉器为载气式送粉器，保护气体为高纯氩气，拥有三个送粉仓，可以实现三种粉末材料的同时激光沉积；
第四步，程序预运行。在完成上述准备工作后，在不打开激光的条件下，运行工艺控制的程序，检验数控程序、机床、保护气和送粉器等各设备运行的准确性、完整性和可靠性，确保钩爪制造过程的稳定可控。如果发现问题，立即修正程序或者设备，然后再进行预运行，直到确认无任何异常为止。
e、按照设定的程序文件进行激光沉积制造
本实用新型按照表1的激光工艺参数编制的工艺控制程序分别进行了钩爪毛坯的激光沉积制造。激光沉积制造过程中，注意观察成形质量，发现异常要即时调整工艺，确保激光沉积过程的顺利进行。
f、将钩爪毛坯从基板上切割分离，然后进行热处理
激光沉积制造技术由于是高能束瞬态加热熔化与非稳态凝固成形，其残余应力较大，必须进行去应力退火；
对激光沉积00Cr18Ni9N控氮奥氏体不锈钢和Stellite 6进行热处理实验，获得两者的温度—硬度曲线，如图10和图11所示，图10为激光沉积Stellite 6硬度—温度曲线，图11为激光沉积00Cr18Ni9N控氮奥氏体不锈钢硬度-温度曲线。根据硬度-温度曲线，本实用新型优选确定的钩爪毛坯的热处理温度为800℃～1075℃。根据选择的温度，分别进行保温30min，45min，60min，75min和90min对比；
对经过热处理后的00Cr18Ni9N控氮奥氏体不锈钢和Stellite 6钴基合金进行拉伸性能测试，测试结果如表2所示；
表2热处理后激光沉积00Cr18Ni9N控氮奥氏体不锈钢和Stellite 6钴基合金力学性能
可以看出，激光沉积制造的Stellite 6钴基合金和00Cr18Ni9N控氮奥氏体不锈钢，无论是激光沉积态还是热处理后，其综合力学性能都高于RCC-M标准；
根据上述拉伸实验结果，本实用新型优选的钩爪热处理工艺为：热处理温度：800℃～1075℃，保温时间45min～75min，冷却方式为随炉缓慢冷却。
g、对热处理后的钩爪毛坯进行粗加工并进行无损检测
对完成热处理的钩爪毛坯进行机加工，获得平整光洁的表面，表面粗糙度≤1.6μm。然后对其进行水浸超声波C-scan检验，确认毛坯内部质量；
在钩齿区12、下销孔区14和上销孔区15测试Stellite 6耐磨层的洛氏硬度，每个区测试不少于3个点。本实用新型中，三个区域的Stellite 6洛氏硬度相同，为HRC43±2。
h、对无损检测合格的钩爪毛坯进行机加工，获得钩爪成品
对检验合格的钩爪毛坯进行精加工。首先加工钩爪的两个侧面成为加工基准面，加工时需要确保两个侧面与耐磨层结合面垂直，然后在该基准面下部Stellite 6区域13定位下销孔轴心15，然后以轴心15为基点，在上部的Stellite 6区域14定位上销孔轴心16，理论上轴心16也应该是区域14正方形的中心，但实际中会有偏差；
然后编制数控加工程序，分别以轴心15和轴心16为基准，完成打孔和成品机加工。
I、对钩爪进行尺寸和外观检验
利用高精度三坐标测量仪对钩爪成品进行尺寸检验。利用粗超度仪测试各加工面的粗糙度。利用渗透法检验成品钩爪是否存在裂纹。在高亮度环境下目视检验钩爪外观的完整性；
目视检测时，钩爪表面不允许有任何的凹坑、开裂、裂纹、未熔合和夹渣；
液态渗透检验时，不允许在耐磨区和界面上有任何线性显示(长为宽的3倍)；不允许有大于1.5mm圆形显示，如果最终机加工后要求的最小厚度小于1.5mm，圆形显示的最大允许尺寸为该厚度；允许有一个液体渗透显示。
经过上述步骤制造的钩爪可完全满足核电站控制棒驱动机构钩爪的使用要求。通过超声无损检测和渗透检验，未发现任何超标缺陷，耐磨层硬度HRC43±2，符合产品技术要求，且比氧乙炔堆焊钩爪耐磨层硬度更均匀。本方法制造的钩爪，激光沉积00Cr18Ni9N控氮奥氏体不锈钢基体具有比氧乙炔堆焊钩爪基体具有更好的综合力学性能。本实用新型生产过程完全自动控制，制造过程和质量不受操作人员影响，适合批量生产，可以完全替代氧乙炔堆焊钩爪。
Claims (4)
1.一种具有新型耐磨层结构的钩爪，所述钩爪为核电站控制棒驱动机构钩爪，其特征在于：所述钩爪采用激光沉积制造方法制造，且所述钩爪的销孔耐磨层外形为正方形结构，所述钩爪的钩齿与基体的结合面为平面结构。
2.根据权利要求1所述的具有新型耐磨层结构的钩爪，其特征在于：所述钩爪的销孔耐磨层与基体的结合面为平面结构。
3.根据权利要求1所述的具有新型耐磨层结构的钩爪，其特征在于：所述钩爪的销孔耐磨层正方形结构的边长为10.5～19.0mm。
4.根据权利要求1所述的具有新型耐磨层结构的钩爪，其特征在于：所述钩爪的基体采用00Cr18Ni9N控氮奥氏体不锈钢粉末制成；所述钩爪的销孔耐磨层以及钩齿采用Stellite6钴基合金粉末制成。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN108480927A (zh) * | 2018-04-04 | 2018-09-04 | 鑫精合激光科技发展（北京）有限公司 | 一种具有冶金结合耐磨蚀层核电用钩爪的制备方法 |
| CN111299576A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-06-19 | 北京航空航天大学合肥创新研究院 | 一种面向精密构件的多元材料激光增材制造方法 |
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2016
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