本發(fā)明屬于激光增材制造領域，涉及用于核電站控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪的一種新型結(jié)構(gòu)及制造方法。

背景技術(shù)：

控制棒驅(qū)動機構(gòu)是核電站反應堆的關鍵設備，也是反應堆本體上唯一的動設備。鉤爪組件是控制棒驅(qū)動機構(gòu)中最核心、最關鍵的零件之一。反應堆的啟動、功率調(diào)節(jié)、功率保持、正常停堆和事故停堆等功能操作，就是依靠兩組鉤爪按照時序運動的擺進擺出方式完成驅(qū)動桿帶動堆芯控制棒的提升、下插動作來實現(xiàn)。

核電技術(shù)的發(fā)展對反應堆系統(tǒng)和設備的安全性、可靠性和經(jīng)濟性都提出了更高的要求。作為易損件，鉤爪的耐磨損、耐熱性、耐腐蝕等特性直接決定整個控制棒驅(qū)動機構(gòu)的使用壽命。堆焊型鉤爪由于其優(yōu)越抗沖擊性、耐腐蝕性，不易崩齒、斷裂和碎裂，含鈷量低和更好的耐磨性而被廣泛采用。但由于其在小孔內(nèi)進行氧乙炔手工堆焊的操作難度高，工藝穩(wěn)定性差、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品合格率低，國內(nèi)相關單位的產(chǎn)品沒有實際工程應用價值。國內(nèi)核電工程使用的該種鉤爪幾乎全部采用進口。堆焊型鉤爪、連桿成為控制棒驅(qū)動機構(gòu)中唯一沒有實現(xiàn)批量化國產(chǎn)的零件。

激光增材制造是通過將三維構(gòu)件解構(gòu)為二維后再利用高能激光束進行堆疊制造的技術(shù)。對于復雜構(gòu)件、難熔材料的加工制造具有獨特優(yōu)勢。本發(fā)明就是提供一種具有新型耐磨層結(jié)構(gòu)的鉤爪及其激光沉積制造方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種具有新型耐磨層結(jié)構(gòu)的核電站控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪及其激光沉積制造工藝方法。

本發(fā)明提出的核電站控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪新型耐磨層結(jié)構(gòu)，其特征是：銷孔的耐磨層為外圓呈鋸齒狀的圓管形；銷孔耐磨層與基體結(jié)合面為鋸齒形；鉤齒與基體的結(jié)合面為鋸齒形。

本發(fā)明提出的具有新型耐磨層結(jié)構(gòu)的核電站控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪的激光沉積制造方法，包括如下步驟：

S1：建立鉤爪毛坯三維數(shù)字模型；

S2：制定鉤爪激光沉積制造方案，并對數(shù)模進行切片和激光掃描路徑規(guī)劃；

S3：設定激光沉積制造參數(shù)并編制工藝控制程序；

S4：完成激光沉積制造前準備工作；

S5：按照設定的程序進行激光沉積制造；

S6：將鉤爪毛坯從基板切割分離然，后進行熱處理；

S7：對熱處理后的鉤爪毛坯進行機加工，獲得鉤爪成品。

本發(fā)明所述外圓呈鋸齒狀的圓管形鉤爪銷孔區(qū)耐磨層，其特征是：圓管外直徑不小于10.5mm，不大于19.0mm。

本發(fā)明所述鉤爪激光沉積制造方法S2步驟，其特征在于：

S2-1：采用鉤爪毛坯以鉤齒面中心法線與其軸線所在平面呈水平的側(cè)向平放方式生長；

S2-2：將鉤爪毛坯數(shù)模進行切片；

S2-3：對切片進行分區(qū)，并規(guī)劃每個分區(qū)的激光掃描路徑；

S2-4：編制鉤爪毛坯切片和激光沉積制造程序文件。

本發(fā)明所述激光沉積制造鉤爪毛坯S3步驟設定激光沉積制造參數(shù)，其特征在于：激光光斑直徑為φ2mm~φ6mm，激光功率為1kw~5Kw，激光掃描速度3mm/s~30mm/s，激光掃描搭接率為30%~50%，切片層厚為0.5mm~2.0mm。

本發(fā)明所述激光沉積制造鉤爪毛坯S4步驟，其特征在于：

S4-1：對基材去油污，表面打磨去除氧化皮，然后清洗烘干；

S4-2：將基材放置到氬氣氛保護的激光沉積成形倉的工作平臺上并固定，調(diào)整送粉器到基材表面的距離，并設定激光掃描的起點和終點；

S4-3：將激光沉積制造鉤爪毛坯用原材料粉末裝入送粉器；

S4-4：進行激光沉積制造程序預運行，檢測設備運行準確性和程序運行的合理性；

本發(fā)明所述激光沉積制造鉤爪毛坯S6步驟的熱處理，其特征在于：熱處理溫度為800℃~1075℃，冷卻方式為隨爐冷卻。

本發(fā)明所述S7步驟的機加工，其特征在于：

S7-1：基準面加工——銑加工鉤爪毛坯的沉積面頂面和底部切割面成為加工基準面；

S7-2：銷孔軸心定位——將下銷孔圓形耐磨區(qū)圓心位置定位為銷孔軸心，再按照尺寸要求在上銷孔圓形耐磨區(qū)圓心位置定位上銷孔軸心；

S7-3：打孔——以定好的軸心在銷孔耐磨層區(qū)進行銑孔；

S7-4：然后以上、下銷孔軸心為基準編制數(shù)控加工程序，完成鉤爪的機加工。

本發(fā)明所述S2-3數(shù)模切片，其特征在于：銷孔層切片平面內(nèi)至少分為四個掃描分區(qū)——基體區(qū)、下銷孔耐磨材料區(qū)和上銷孔部耐磨材料區(qū)；上下銷孔耐磨材料區(qū)是以鉤爪銷孔軸心為中心的圓形；該圓形直徑介于10.5mm~19mm之間；相鄰兩層切片的圓形耐磨材料區(qū)直徑相差2mm~4mm。

本發(fā)明所述S2-4激光掃描路徑規(guī)劃，其特征在于：同一切片不同區(qū)域的激光掃描路徑相互可以相互垂直，也可以相互平行；相鄰兩層的激光掃描路徑可以相同，也可以呈一定角度，如90°。

本發(fā)明所述S4-1步驟的基材，其特征在于：基材為不銹鋼，如12Cr17Mn6Ni5N，12Cr18Ni9，Y12Cr18Ni9，Y12Cr18Ni9Cu3，06Cr19Ni10，00Cr18Ni9N。

本發(fā)明所述S4-3激光沉積制造鉤爪毛坯原材料粉末，其特征在于：鉤爪基體原材料粉末為00Cr18Ni9N控氮奧斯體不銹鋼；耐磨層原材料粉末為Stellite 6鈷基合金。

本發(fā)明所述S4-3送粉器，其特征在于：送粉器至少擁有兩個密封的送粉倉。

本發(fā)明所述00Cr18Ni9N控氮奧斯體不銹鋼粉末，其特征在于：該材質(zhì)粉末的制造方法為旋轉(zhuǎn)電極法或者氣體霧化法。

本發(fā)明所述Stellite 6鈷基合金粉末，其特征在于：該材質(zhì)粉末的制造方法為旋轉(zhuǎn)電極法或者氣體霧化法。

本發(fā)明提供的鉤爪具有晶粒細小，力學性能好，耐磨層硬度均勻可控，殘余應力小等優(yōu)勢。本發(fā)明提供的激光沉積制造方法與傳統(tǒng)手工氧乙炔堆焊工藝依賴操作工人不同，生產(chǎn)過程全自動控制，激光沉積制造系統(tǒng)全封閉，不受外界環(huán)境和操作人員技術(shù)水平和工作狀態(tài)的影響，生產(chǎn)成品率高，具有產(chǎn)品批量化生產(chǎn)優(yōu)勢。

附圖說明

附圖和實施例可以對本發(fā)明進一步說明，附圖如下：

圖1氧乙炔堆焊鉤爪結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2氧乙炔堆焊鉤爪下銷孔耐磨層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3氧乙炔堆焊鉤爪鉤齒與基體結(jié)合面示意圖；

圖4激光沉積制造鉤爪結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5激光沉積制造鉤爪下銷孔耐磨層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6激光沉積制造鉤爪鉤齒與基體結(jié)合面示意圖；

圖7 耐磨材料與基體的鋸齒狀結(jié)合面；

圖8激光沉積制造鉤爪毛坯結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9 激光沉積制造鉤爪毛坯銷孔層切片示意圖；

圖10 激光沉積制造鉤爪毛坯銷孔層切片激光掃描路徑規(guī)劃圖；

圖11激光沉積Stellite 6熱處理硬度-溫度曲線；

圖12激光沉積控氮奧氏體不銹鋼熱處理硬度-溫度曲線；

圖13激光沉積制造鉤爪毛坯機加工銷孔軸心定位示意圖。

編號說明：1——氧乙炔堆焊鉤爪基體，2——氧乙炔堆焊鉤爪下銷孔及其耐磨層，3——氧乙炔堆焊鉤爪上銷孔及其耐磨層，4——氧乙炔堆焊鉤爪鉤齒耐磨層；5——激光沉積鉤爪基體，6——激光沉積鉤爪下銷孔及其耐磨層，7——激光沉積鉤爪上銷孔及其耐磨層，8——激光沉積鉤爪鉤齒耐磨層；9——激光沉積制造鉤爪毛坯下銷孔軸心，10——激光沉積制造鉤爪毛坯上銷孔軸心。

具體實施方式

氧乙炔堆焊鉤爪的制造方法是：采用00Cr18Ni9N控氮奧氏體不銹鋼鍛棒機加工成鉤爪基體1，在基體上加工銷孔；其中下銷孔2加工成帶有一定傾角的對稱錐形孔，如圖2所示；鉤齒面銑加工出凹槽面，如圖3所示；然后再用Stellite 6鈷基合金焊絲進行氧乙炔堆焊銷孔耐磨層2和3，在鉤齒面堆焊鉤齒4；然后對毛坯進行退火處理，最后進行成品機加工。該工藝的難點之一是銷孔內(nèi)耐磨層的堆焊。鉤爪的銷孔是一種小直徑深孔，在該孔內(nèi)主要依靠手工操作進行堆焊。Stellite 6鈷基合金雖然具有良好的耐磨性，但卻是一種殘余應力敏感材料，耐磨層與基體控氮奧氏體不銹鋼的結(jié)合面由于殘余應力的存在極易開裂；且手工堆焊時，操作人員的技術(shù)水平和工作狀態(tài)會影響耐磨層的滲碳量，導致耐磨硬度超標且分布不均勻；因此該工藝對操作人員的依賴性較強，工藝穩(wěn)定性極差。

激光增材制造技術(shù)是將三維構(gòu)件分解為二維平面圖形，再利用激光數(shù)字化加工系統(tǒng)將粉末快速熔化成形二維圖形結(jié)構(gòu)，逐層堆積制造產(chǎn)品的一種全新的制造工藝，激光沉積制造技術(shù)是激光增材制造技術(shù)中的一種。本發(fā)明利用激光沉積制造技術(shù)制造鉤爪的步驟包括：

a、建立鉤爪毛坯三維數(shù)字模型；

b、制定鉤爪激光沉積制造方案，并對數(shù)模進行切片和激光掃描路徑規(guī)劃；

c、設定激光沉積制造參數(shù)，編制激光沉積制造工藝控制程序；

d、完成激光沉積制造前準備工作；

e、按照工藝程序文件進行激光沉積制造；

f、將鉤爪毛坯從基板上切割分離，然后進行熱處理；

g、對熱處理后的鉤爪毛坯進行粗加工并進行無損檢測；

h、對無損檢測合格的鉤爪毛坯進行精加工，制造成品鉤爪；

I、對成品鉤爪進行尺寸和外觀檢驗。

下面以實例介紹每一步驟的具體方式：

a、建立鉤爪毛坯數(shù)字模型

根據(jù)鉤爪成品數(shù)字模型，首先設計鉤爪機加工坯料數(shù)字模型；再根據(jù)激光沉積工藝特征和內(nèi)部質(zhì)量檢測要求，各個加工面都增加加工余量，從而獲得激光沉積制造鉤爪毛坯的數(shù)值模型；

本發(fā)明中成品鉤爪銷孔直徑為φ9.493mm，外圓層鋸齒狀的圓管形耐磨層齒根截面圓直徑大于銷孔直徑，小于鉤爪側(cè)面的寬度19mm。本發(fā)明耐磨區(qū)分別采用直徑10.5mm，14mm和19mm，齒間距分別為0.5mm、1mm、1.5mm和2.0mm進行了設計制造。

b、制定鉤爪激光沉積制造方案，并對數(shù)模進行切片和激光掃描路徑規(guī)劃

根據(jù)毛坯的三維數(shù)值模型結(jié)構(gòu)和激光沉積制造工藝特點，設計毛坯的成形方案。根據(jù)鉤爪毛坯呈L形的特點，本發(fā)明采用鉤齒面中心法線與其軸線所在平面呈水平的側(cè)向平放，沿箭頭所指豎直方向逐層堆積生長的成形方案，如圖8所示；

按照該方案進行切片時，鉤爪切片平面內(nèi)結(jié)構(gòu)將完全相同，如圖9所示。每個切片分為四個區(qū)域：基體5、下銷孔耐磨材料區(qū)6、上銷孔耐磨材料區(qū)7和鉤齒區(qū)8。相鄰兩層切片的銷孔耐磨材料區(qū)直徑大小相差2mm~4mm，使耐磨材料區(qū)與基體形成鋸齒狀連接，如圖7所示；

對切片進行激光掃描路徑規(guī)劃。為了降低和消減應力累積，一般要求相鄰兩層的激光掃描路徑要成一定角度。本發(fā)明中，相鄰兩層切片的激光掃描路徑呈90°垂直；

在進行激光掃描路徑規(guī)劃時，除相鄰兩層切片的激光掃描路徑成一定角度外，同一切片中相鄰兩區(qū)的激光掃描路徑也要成一定角度。本發(fā)明都是呈90°，如圖10所示，圖10（a）和圖10（b）是相鄰兩個切片的激光掃描路徑規(guī)劃；此時需要設定掃描間距，即激光掃描搭接率，本發(fā)明搭接率為30%~50%之間。

c、設定激光沉積制造參數(shù)并編制激光沉積制造工藝控制程序

通過系統(tǒng)實驗獲得優(yōu)化的00Cr18Ni9N控氮奧氏體不銹鋼和Stellite 6鈷基合金的激光沉積制造工藝參數(shù)。本發(fā)明優(yōu)化了三種激光工藝參數(shù)如表1所示：

表1 鉤爪激光沉積制造工藝參數(shù)表

根據(jù)工藝參數(shù)和切片掃描路徑，編制激光沉積制造工藝控制程序。

d、完成激光沉積制造前準備工作

激光沉積制造前的準備工作，分為四個方面：第一步，基材準備；第二步，工作臺準備；第三步，原材料準備；最后是程序預運行；

首先是基材準備。由于激光沉積的是控氮奧氏體不銹鋼，首選基材就是控氮奧氏體不銹鋼板材。考慮到成本，可以其他不銹鋼代替，如12Cr17Mn6Ni5N（201牌號），12Cr18Mn9Ni5N（202牌號），12Cr18Ni9（302牌號），Y12Cr18Ni9（303牌號），06Cr19Ni10（304牌號）等。本發(fā)明采用的是06Cr19Ni10中厚板，厚度30mm；

將基材清洗除油除銹，在烘干爐內(nèi)加熱烘干，烘干溫度150℃，保溫60min。然后對基材棱角打磨去除毛刺，表面打磨光亮清除氧化皮；

第二步，工作臺準備。將烘干并打磨好的基材放置到激光沉積成形倉內(nèi)的工作平臺上并用夾具固定，該成形倉內(nèi)充滿氬氣。調(diào)整激光沉積成形同軸送粉器到基材表面的距離，確?；某练e面在激光焦點范圍內(nèi)。設定送粉器在基材上掃描的起點和終點，限定掃描范圍。最后確認成形倉內(nèi)的氧含量，只有低于50ppm時才能開始激光沉積制造；

第三步，原材料準備。本發(fā)明所用原材料為00Cr18Ni9N控氮奧氏體不銹鋼粉末和Stellite 6鈷基合金粉末。00Cr18Ni9N控氮奧氏體不銹鋼粉末采用旋轉(zhuǎn)電極工藝制備，化學成分符合RCC-M標準，粒度為-60目~200目。Stellite 6鈷基合金粉末為氣體霧化法制備的堆焊粉末，化學成分符合AWS A5.21標準，粉末粒度-100目~320目；

將粉末裝入激光沉積數(shù)控系統(tǒng)的送粉器中，該送粉器至少具有兩個送粉倉，可以實現(xiàn)至少兩種粉末材料的同時激光沉積制造。本發(fā)明所用送粉器為載氣式送粉器，保護氣體為高純氬氣，擁有三個送粉倉，可以實現(xiàn)三種粉末材料的同時激光沉積。

第四步，程序預運行。在完成上述準備工作后，在不打開激光的條件下，運行工藝控制的程序，檢驗數(shù)控程序、機床、保護氣和送粉器等各設備運行的準確性、完整性和可靠性，確保鉤爪制造過程的穩(wěn)定可控。如果發(fā)現(xiàn)問題，立即修正程序或者設備，然后再進行預運行，直到確認無任何異常為止。

e、按照設定的程序文件進行激光沉積制造

本發(fā)明按照表1的激光工藝參數(shù)編制的工藝控制程序分別進行了鉤爪毛坯的激光沉積制造。激光沉積制造過程中，注意觀察成形質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)異常要即時調(diào)整工藝，確保激光沉積過程的順利進行。

f、將鉤爪毛坯從基板上切割分離，然后進行熱處理

激光沉積制造技術(shù)由于是高能束瞬態(tài)加熱熔化與非穩(wěn)態(tài)凝固成形，其殘余應力較大，必須進行去應力退火。

對激光沉積00Cr18Ni9N控氮奧氏體不銹鋼和Stellite 6進行熱處理實驗，獲得兩者的溫度—硬度曲線，如圖11和圖12所示，圖11為激光沉積Stellite 6硬度—溫度曲線，圖12為激光沉積00Cr18Ni9N控氮奧氏體不銹鋼硬度-溫度曲線。根據(jù)硬度-溫度曲線，本發(fā)明優(yōu)選確定的鉤爪毛坯的熱處理溫度為800℃~1075℃。根據(jù)選擇的溫度，分別進行保溫30min，45min，60min，75min和90min對比。

對經(jīng)過熱處理后的00Cr18Ni9N控氮奧氏體不銹鋼和Stellite 6鈷基合金進行拉伸性能測試，測試結(jié)果如表2所示：

表2 熱處理后激光沉積00Cr18Ni9N控氮奧氏體不銹鋼和Stellite 6鈷基合金力學性能

可以看出，激光沉積制造的Stellite 6鈷基合金和00Cr18Ni9N控氮奧氏體不銹鋼，無論是激光沉積態(tài)還是熱處理后，其綜合力學性能都高于RCC-M標準；

根據(jù)上述拉伸實驗結(jié)果，本發(fā)明優(yōu)選的鉤爪熱處理工藝為：熱處理溫度：800℃~1075℃，保溫時間45min~75min，冷卻方式為隨爐緩慢冷卻。

g、對熱處理后的鉤爪毛坯進行粗加工并進行無損檢測

對完成熱處理的鉤爪毛坯進行機加工，首先加工鉤爪成形頂面和底面（鉤爪兩個側(cè)面）成基準面，獲得平整光潔的表面，表面粗糙度≤1.6μm。然后對其進行水浸超聲波C-scan檢驗，確認毛坯內(nèi)部質(zhì)量。在鉤齒區(qū)8、下銷孔區(qū)6和上銷孔區(qū)7測試Stellite 6耐磨層的洛氏硬度，每個區(qū)測試不少于3個點。本發(fā)明中，三個區(qū)域的Stellite 6洛氏硬度相同，為HRC43±2。

h、對無損檢測合格的鉤爪毛坯進行機加工，獲得鉤爪成品

對檢驗合格的鉤爪毛坯進行精加工。首先加工鉤爪的兩個側(cè)面成為加工基準面，加工時需要確保兩個側(cè)面與耐磨層結(jié)合面垂直，然后在該基準面下部Stellite 6區(qū)域6定位下銷孔軸心9，然后以軸心9為基點，在上部的Stellite 6區(qū)域7定位上銷孔軸心10，理論上軸心10也應該是區(qū)域7圓形的圓心，但實際中會有偏差，如圖13所示。編制數(shù)控加工程序，分別以軸心9和軸心10為基準，完成打孔和成品機加工。

I、對鉤爪進行尺寸和外觀檢驗

利用高精度三坐標測量儀對鉤爪成品進行尺寸檢驗。利用粗超度儀測試各加工面的粗糙度。利用滲透法檢驗成品鉤爪是否存在裂紋。在高亮度環(huán)境下目視檢驗鉤爪外觀的完整性。目視檢測時，鉤爪表面不允許有任何的凹坑、開裂、裂紋、未熔合和夾渣。液態(tài)滲透檢驗時，不允許在耐磨區(qū)和界面上有任何線性顯示（長為寬的3 倍）；不允許有大于1.5mm 圓形顯示，如果最終機加工后要求的最小厚度小于1.5mm，圓形顯示的最大允許尺寸為該厚度；允許有一個液體滲透顯示。

經(jīng)過上述步驟制造的鉤爪可完全滿足核電站控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪的使用要求。通過超聲無損檢測和滲透檢驗，未發(fā)現(xiàn)任何超標缺陷，耐磨層硬度HRC43±2，符合產(chǎn)品技術(shù)要求，且比氧乙炔堆焊鉤爪耐磨層硬度更均勻。本方法制造的鉤爪，激光沉積00Cr18Ni9N控氮奧氏體不銹鋼基體具有比氧乙炔堆焊鉤爪基體具有更好的綜合力學性能。本發(fā)明生產(chǎn)過程完全自動控制，制造過程和質(zhì)量不受操作人員影響，適合批量生產(chǎn)，可以完全替代氧乙炔堆焊鉤爪。