本發(fā)明屬于核工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪及及其制備方法。

背景技術(shù)：

核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)(crdm)的鉤爪是實現(xiàn)控制棒提升、保持和下插功能的關(guān)鍵運動執(zhí)行部件，容易磨損，是故障多發(fā)部件。

現(xiàn)有技術(shù)中核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)采用的是單齒鉤爪，以控氮奧氏體不銹鋼(z2cn19-10)棒材為基體，在鉤爪的銷軸孔和齒尖表面堆焊一層鈷基合金(stellite6)耐磨層，以增加其表面的耐磨性和抗沖擊能力，提高crdm的使用壽命。目前該耐磨層是采用氧乙炔鈷基合金堆焊技術(shù)手工堆焊而成。然而現(xiàn)有工藝存在以下缺點：1)手工工藝控制穩(wěn)定性差，成品率低，成本高；2)由于焊接過程中熱輸入量大和工藝的不穩(wěn)定性，存在堆焊層組織粗大和熔敷金屬成分不均勻，鉤爪性能差等問題。

因此，提供一種核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪，提高鉤爪的耐磨性，減少因磨損而發(fā)生故障的概率，提高可靠性，是現(xiàn)有技術(shù)中核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪，提高鉤爪的耐磨性，減少因磨損而發(fā)生故障的概率，提高可靠性。同時提供了一種核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪的制備方法，采用金屬3d打印工藝，改善鉤爪性能，提高成品率。

一方面，本發(fā)明提供一種核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪，包括由兩種材料以逐個片層依次堆疊方式打印形成的鉤爪本體和耐磨層；所述鉤爪本體包括鉤爪基體，設(shè)置在所述鉤爪基體上且貫穿所述鉤爪基體的軸銷孔,設(shè)置于所述鉤爪基體一側(cè)壁上的齒尖，以及設(shè)置在所述鉤爪基體且背離所述齒尖一側(cè)上的凹槽，所述耐磨層分別以鑲嵌方式形成在所述軸銷孔內(nèi)周壁、以及所述齒尖的外表面上。

優(yōu)選地，所述鉤爪本體與耐磨層的搭接區(qū)域為交錯結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述逐個片層依次堆疊方式打印是根據(jù)構(gòu)建鉤爪毛坯的三維數(shù)字模型實現(xiàn)。

優(yōu)選地，所述兩種材料分別為控氮奧氏體不銹鋼和鈷基合金，所述鉤爪本體由所述控氮奧氏體不銹鋼組成，所述耐磨層由鈷基合金組成。

另一方面，本發(fā)明提供了一種核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪制備方法，包括如下步驟：

s1、根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項所述的核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪的結(jié)構(gòu)制定3d打印制造工藝：構(gòu)建鉤爪毛坯的三維數(shù)字模型，對三維數(shù)字模型進行分層切片處理，將三維數(shù)字模型沿銷軸孔軸向分為多個片層，每一片層均包括分別由兩種材料組成的基材區(qū)和耐磨區(qū)，所述耐磨區(qū)鑲嵌于所述基材區(qū)內(nèi)，其中所述基材區(qū)用于加工形成鉤爪基體，所述耐磨區(qū)用于加工形成軸銷孔內(nèi)周壁、以及齒尖的外表面上的耐磨層；

s2、利用3d打印制造工藝逐個片層依次堆疊打印形成所述鉤爪毛坯，通過控制打印參數(shù)，依次將每一片層燒結(jié)或熔結(jié)并同時連結(jié)各片層；

s3、在3d打印制造完成鉤爪毛坯后，利用機加工設(shè)備進行機加工，以形成銷軸孔、齒尖及鉤爪凹槽，得到成型后的核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪。

優(yōu)選地，每一片層在所述每一軸銷孔所在位置處均設(shè)置中心定位小孔，所述中心定位小孔用于在后續(xù)機加工過程中標定銷軸孔位置，同時也用于減少熱應力集中。

優(yōu)選地，所述三維數(shù)字模型構(gòu)建過程中，在所述鉤爪基體四周、軸銷孔內(nèi)周壁以及齒尖外表面處均設(shè)置一定厚度的輔助加工余量，所述輔助加工余量通過后續(xù)機加工進行剔除。

優(yōu)選地，所述基材區(qū)和耐磨區(qū)搭接區(qū)域為交錯結(jié)構(gòu)，所述交錯結(jié)構(gòu)用于增強基材區(qū)和耐磨區(qū)接觸面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

優(yōu)選地，所述兩種材料分別為控氮奧氏體不銹鋼和鈷基合金，所述基材區(qū)沉積控氮奧氏體不銹鋼，所述耐磨區(qū)沉積鈷基合金。

優(yōu)選地，所述基材區(qū)包括第一基材區(qū)和第二基材區(qū)，所述耐磨區(qū)包括第一耐磨區(qū)、第二耐磨區(qū)和第三耐磨區(qū)，所述第一耐磨區(qū)鑲嵌在第一基材區(qū)內(nèi)，所述軸銷孔包括軸銷孔一和軸銷孔二；

所述第二耐磨區(qū)以及所述第三耐磨區(qū)鑲嵌于所述第二基材區(qū)內(nèi)，其中所述第一耐磨區(qū)用于加工形成所述軸銷孔一內(nèi)周壁耐磨層，所述第二耐磨區(qū)用于加工形成所述軸銷孔二內(nèi)周壁耐磨層，所述第三耐磨區(qū)用于加工形成所述齒尖外表面耐磨層。

優(yōu)選地，所述片層由下到上依次為底層、中間層組和頂層，其中所述中間層組包括至少兩層中間層，中間層組中各層的第一耐磨區(qū)、第二耐磨區(qū)和第三耐磨區(qū)相互獨立間隔。

優(yōu)選地，所述底層和頂層中的所述第一耐磨區(qū)、第二耐磨區(qū)和第三耐磨區(qū)相互連通。

優(yōu)選地，所述打印參數(shù)包括金屬沉積方向，其中同一片層任意相鄰區(qū)域的激光金屬沉積方向垂直交錯，相鄰上下兩個片層相接處的兩區(qū)域的激光金屬沉積方向垂直交錯，所述區(qū)域為第一基材區(qū)、第二基材區(qū)、第一耐磨區(qū)、第二耐磨區(qū)和第三耐磨區(qū)中的一個。

優(yōu)選地，所述打印參數(shù)還包括噴粉厚度、燒結(jié)厚度、激光的輸出功率、掃描速度、掃描寬度及掃描路徑。

優(yōu)選地，在步驟s3之后還包括：

s4、對所述成型后的鉤爪進行熱處理、檢驗處理及精加工與表面處理。

本發(fā)明方案提供的一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點：

1、本發(fā)明解決現(xiàn)有手工堆焊鉤爪技術(shù)存在的組織粗大和熔敷金屬成分不均勻?qū)е碌某善仿实?，以及長期服役易磨損導致的可靠性低的問題，借助激光金屬沉積改善鉤爪材料組織，使異種材料制得的鉤爪各部分更加致密、均勻，極大提高其力學性能，增強其表面的耐磨性和抗沖擊能力，同時提高鉤爪的成品率和長周期服役的可靠性。

2、鉤爪采用異種材料鑲嵌式齒型交錯結(jié)構(gòu)型式，提高鉤爪各部件連接穩(wěn)定性，有效降低齒尖及軸銷孔從鉤爪基體脫落的概率，減少了因磨損而發(fā)生故障的概率，提高了可靠性，增強了使用壽命。

3、3d打印與機加工結(jié)合的復合制造工藝有效降低勞動強度，提高鉤爪成品率，同時降低生產(chǎn)制造成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明的實施例一提供的核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的實施例二提供的核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪制備方法流程圖；

圖3為本發(fā)明的實施例二提供的鉤爪毛坯的三維數(shù)字模型截面圖；

圖4a為本發(fā)明的實施例二提供的鉤爪毛坯相鄰兩中間層示意圖；

圖4b為本發(fā)明的實施例二提供的鉤爪毛坯頂層或底層示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供了一種核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪及其制備方法，所述鉤爪采用兩種不同材料通過3d逐個片層依次堆疊方式打印，結(jié)合機加工的復合制造工藝制得，鉤爪的耐磨層以鑲嵌方式形成在軸銷孔內(nèi)周壁、以及齒尖的外表面上，本發(fā)明解決現(xiàn)有手工堆焊鉤爪技術(shù)存在的組織粗大和熔敷金屬成分不均勻?qū)е碌某善仿实?，以及長期服役易磨損導致的可靠性低的問題，借助激光金屬沉積改善鉤爪材料組織，使異種材料制得的鉤爪各部分更加致密、均勻，極大提高其力學性能，增強其表面的耐磨性和抗沖擊能力，同時提高鉤爪的成品率和長周期服役的可靠性。

為了更好的理解本發(fā)明技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體實施方式對上述技術(shù)方案進行詳細的說明，應當理解本發(fā)明實施例以及實施例中的具體特征是對本申請技術(shù)方案的詳細的說明，而不是對本申請技術(shù)方案的限定，在不沖突的情況下，本發(fā)明實施例以及實施例中的技術(shù)特征可以相互組合。

實施例一

圖1為本發(fā)明實施例一提供的核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，一種核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪，包括由兩種材料以逐個片層依次堆疊方式打印形成的鉤爪本體和耐磨層；所述鉤爪本體包括鉤爪基體1，設(shè)置在鉤爪基體1上且貫穿鉤爪基體1的軸銷孔2,設(shè)置鉤爪基體1一側(cè)壁上的齒尖3，以及設(shè)置在鉤爪基體1背離齒尖3一側(cè)上的凹槽8，所述耐磨層分別以鑲嵌方式形成在軸銷孔2內(nèi)周壁、以及齒尖3的外表面上，所述耐磨層的具體厚度可根據(jù)實際工藝需求具體設(shè)定，上述鉤爪可采用單齒或雙齒結(jié)構(gòu)型式，均可以在毛坯的基礎(chǔ)上加工得到鉤爪外形尺寸，齒尖3和銷軸孔尺寸和相對位置均不限于本實施例。鉤爪的齒尖3和銷軸孔表面粗糙度為ra0.8至ra3.2。鉤爪的齒尖3斜面角度為45度，齒尖3表面均勻圓滑過渡。

具體地，所述逐個片層依次堆疊方式打印是根據(jù)構(gòu)建鉤爪毛坯的三維數(shù)字模型實現(xiàn)。

具體地，所述鉤爪本體與耐磨層的搭接區(qū)域為交錯結(jié)構(gòu)，所述交錯結(jié)構(gòu)具體為齒形交錯結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)有效增強有兩種不同材料制成的鉤爪本體和耐磨層之間的結(jié)合強度，有效降低齒尖3表面及軸銷孔2內(nèi)周壁上的耐磨層從鉤爪本體上脫落的概率，從而降低核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)發(fā)生故障的概率。

具體地，所述兩種材料分別為控氮奧氏體不銹鋼和鈷基合金，所述鉤爪本體由所述控氮奧氏體不銹鋼組成，所述耐磨層由鈷基合金組成。

在本實施例中，由兩種材料以逐個片層依次堆疊方式打印形成的鉤爪解決現(xiàn)有堆焊技術(shù)存在的組織粗大和熔敷金屬成分不均勻等缺陷，所述鉤爪各部分致密、均勻，力學性能優(yōu)良，具有較強的表面的耐磨性和抗沖擊能力。

實施例二

本實施例提供一種核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪制備方法，采用了先3d打印制造工藝打印出鉤爪毛坯，再進行機加工的混合制造方式，如圖2所示，包括如下步驟：

s1、根據(jù)實施例一提供的的核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪的結(jié)構(gòu)制定3d打印制造工藝：構(gòu)建鉤爪毛坯的三維數(shù)字模型，對三維數(shù)字模型進行分層切片處理，將三維數(shù)字模型沿銷軸孔軸向分為多個片層，結(jié)合圖3所示，每一片層均包括分別由兩種材料組成的基材區(qū)5和耐磨區(qū)4，所述耐磨區(qū)4鑲嵌于基材區(qū)5內(nèi)，其中基材區(qū)5用于加工形成鉤爪本體，耐磨區(qū)4用于加工形成軸銷孔2內(nèi)周壁、以及齒尖3的外表面上的耐磨層；在本實施例中所述基材區(qū)5的橫截面積大于所述鉤爪基體1的橫截面積。

s2、將3d打印制造工藝的資料傳到3d打印設(shè)備中，利用3d打印制造工藝逐個片層依次堆疊打印進行所述鉤爪毛坯，通過控制打印參數(shù)，依次將每一片層燒結(jié)或熔結(jié)并同時連結(jié)各片層；

s3、在3d打印制造完成鉤爪毛坯后，利用機加工設(shè)備進行機加工，以形成銷軸孔2、齒尖3及鉤爪凹槽8，得到成型后的核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪；

s4、對所述成型后的鉤爪進行熱處理、精加工與表面處理及檢驗處理，具體地，對成型后的鉤爪進行熱處理，改善材料性能，在確保各項材料性能指標滿足設(shè)計要求后，進行精加工與表面處理，使所有尺寸公差，以及表面性能滿足設(shè)計要求。最后對鉤爪進行無損檢測等方面的產(chǎn)品檢驗，直至產(chǎn)品滿足所有設(shè)計要求后，再進行產(chǎn)品交付。

具體地，如圖3所示，在步驟s1中，每一片層在每一軸銷孔2所在位置處均設(shè)置中心定位小孔7，所述中心定位小孔7用于在后續(xù)機加工過程中標定銷軸孔2位置，同時也用于減少熱應力集中，在本實施例中，所述中心定位小孔7與對應所述軸銷孔2同軸設(shè)置。

具體地，在步驟s1三維數(shù)字模型構(gòu)建過程中，在鉤爪基體1四周、軸銷孔2內(nèi)周壁以及齒尖3外表面處均設(shè)置一定厚度的輔助加工余量6，所述輔助加工余量6通過后續(xù)機加工進行剔除，具體地，所述基材區(qū)5外圍設(shè)置一定第一輔助加工余量62，耐磨區(qū)4附近設(shè)置一定第二輔助加工余量61，這些輔助加工余量6有助于后續(xù)的機加工，且通過后續(xù)機加工去除。所述基材區(qū)5外圍設(shè)置的第一輔助加工余量62通過機加工去除后形成所述鉤爪本體；所述耐磨區(qū)4周圍的第二輔助加工余量61通過機加工去除后即形成鉤爪表面的耐磨層。

具體地，在步驟s1中所述基材區(qū)5和耐磨區(qū)4搭接區(qū)域為交錯結(jié)構(gòu)，所述交錯結(jié)構(gòu)具體為齒形交錯結(jié)構(gòu)，所述齒形交錯結(jié)構(gòu)可有效增強基材區(qū)5和耐磨區(qū)4接觸面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，現(xiàn)有技術(shù)通過氧乙炔鈷基合金堆焊技術(shù)手工堆焊形成的鉤爪，其耐磨層與鉤爪本體接觸面為平面結(jié)構(gòu)，而本實施例將每一片層基材區(qū)5和耐磨區(qū)4接觸交界面設(shè)置為齒形交錯結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)有效增強由鈷基合金耐磨材料制成的耐磨層與鉤爪本體之間的結(jié)合強度，有效降低齒尖3及軸銷孔2表面的耐磨層從鉤爪本體脫落的概率，從而降低核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)發(fā)生故障的概率。

具體地，所述兩種材料分別為控氮奧氏體不銹鋼和鈷基合金，所述基材區(qū)5沉積控氮奧氏體不銹鋼，所述耐磨區(qū)4沉積鈷基合金，在3d打印過程中，具體兩種不同材料區(qū)域的打印順序不做具體限定，每一片層打印過程中，可以先沉積控氮奧氏體不銹鋼打印基材區(qū)5，后沉積鈷基合金打印耐磨區(qū)4，也可以與之相反。

具體地，如圖4a和圖4b所示，所述基材區(qū)5包括第一基材區(qū)51和第二基材區(qū)52，耐磨區(qū)4包括第一耐磨區(qū)41、第二耐磨區(qū)42和第三耐磨區(qū)43，所述第一耐磨區(qū)41鑲嵌在第一基材區(qū)51內(nèi)，第二耐磨區(qū)42和第三耐磨區(qū)43鑲嵌于第二基材區(qū)52內(nèi)，其中第一耐磨區(qū)41用于加工形成軸銷孔一21內(nèi)周壁的耐磨層，第二耐磨區(qū)42用于加工形成軸銷孔二22內(nèi)周壁的耐磨層，第三耐磨區(qū)43用于加工形成齒尖3外表面耐磨層。

在打印參數(shù)包括金屬沉積方向，在圖4a和圖4b中，各區(qū)域填充剖面線代表激光金屬沉積方向，從圖中可以看出，在本實施例中基材區(qū)5和耐磨區(qū)4分別分為兩個和三個區(qū)，其中同一片層任意相鄰區(qū)域的激光金屬沉積方向垂直交錯，相鄰上下兩個片層相接處的兩區(qū)域的激光金屬沉積方向也垂直交錯，其中所述區(qū)域為第一基材區(qū)51、第二基材區(qū)52、第一耐磨區(qū)41、第二耐磨區(qū)42和第三耐磨區(qū)43中的一個。此種設(shè)置不僅有利于增強不同種材料之間相互作用，同時也減小3d打印材料各向異性的影響，有利于減小熱應力集中的影響，且使得鉤爪各部分更加致密、均勻，極大提高其力學性能。在其他實施例中，為了更好減小3d打印材料各向異性的影響，減小熱應力集中，基材區(qū)5和耐磨區(qū)4也可分為更多區(qū)，只要保證相鄰區(qū)域激光金屬沉積方向垂直交錯即可。此外，鉤爪毛坯中每一片層不同區(qū)域的成形順序不受限制，各區(qū)域激光金屬沉積方向也不受限制，可不同于圖4a和圖4b各剖面線具體方向，只需要滿足同一片層或相鄰片層中相鄰區(qū)域沉積方向不同即可，可以調(diào)換圖4a和圖4b中上下相鄰兩片層激光金屬沉積方向，或調(diào)換同一片層不同區(qū)域激光金屬沉積方向，此外，激光金屬沉積掃描路徑不限于直線，也可以為螺旋曲線。

具體地，中間層組中各層的耐磨區(qū)4相互獨立間隔，此種設(shè)置是由于耐磨區(qū)4主要是用于分別加工軸銷孔一21和軸銷孔二22內(nèi)周壁耐磨層以及齒尖3外表面耐磨層，而這三個部位相互間隔，將中間層組中各層的耐磨區(qū)4設(shè)置為相互獨立間隔。

具體地，底層和頂層中的第一耐磨區(qū)41、第二耐磨區(qū)42和第三耐磨區(qū)43相互連通，此種設(shè)置可使位于鉤爪毛坯表面的各耐磨區(qū)4形成一個整體，有利于降低鉤爪毛坯表面出現(xiàn)開裂的概率，在本實施例中，所述底層和所述頂層厚度為5mm。

具體地，所述打印參數(shù)還包括噴粉厚度、燒結(jié)厚度、激光的輸出功率、掃描速度、掃描寬度及掃描路徑。

本實施例通過3d打印技術(shù)制備核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)的鉤爪，避免了現(xiàn)有技術(shù)由于異種材料的堆焊，堆焊層容易出現(xiàn)組織粗大和熔敷金屬成分不均勻等問題，同時改善鉤爪材料組織，使其更加致密、均勻，同時提高其力學性能，增強其表面的耐磨性和抗沖擊能力。

綜上所述，本申請方案相對于現(xiàn)有技術(shù)至少具有以下有益技術(shù)效果：

1、采用3d打印與機加工結(jié)合的復合制造工藝，由兩種材料以逐個片層依次堆疊方式打印形成的鉤爪解決現(xiàn)有手工堆焊鉤爪技術(shù)存在的組織粗大和熔敷金屬成分不均勻?qū)е碌某善仿实?，以及長期服役易磨損導致的可靠性低的問題，借助激光金屬沉積改善鉤爪材料組織，使異種材料制得的鉤爪各部分更加致密、均勻，極大提高其力學性能，增強其表面的耐磨性和抗沖擊能力，同時提高鉤爪的成品率和長周期服役的可靠性。

2、鉤爪采用異種材料鑲嵌式齒型交錯結(jié)構(gòu)型式，提高鉤爪各部件連接穩(wěn)定性，有效降低齒尖及軸銷孔從鉤爪基體脫落的概率，減少了因磨損而發(fā)生故障的概率，提高了可靠性，增強了使用壽命。

3、3d打印與機加工結(jié)合的復合制造工藝有效降低勞動強度，提高鉤爪成品率，同時降低生產(chǎn)制造成本。

以上所揭露的僅為本發(fā)明一種較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實現(xiàn)上述實施例的全部或部分流程，并依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬于發(fā)明所涵蓋的范圍。