一种具有新型耐磨层结构的钩爪及其制造方法与流程

本发明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。本发明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。

技术实现要素：

本发明提供了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激光沉积制造工艺方法。

本发明提出的核电站控制棒驱动机构钩爪新型耐磨层结构，其特征是：销孔的耐磨层为外圆呈锯齿状的圆管形；销孔耐磨层与基体结合面为锯齿形；钩齿与基体的结合面为锯齿形。

本发明提出的具有新型耐磨层结构的核电站控制棒驱动机构钩爪的激光沉积制造方法，包括如下步骤：

S1：建立钩爪毛坯三维数字模型；

S2：制定钩爪激光沉积制造方案，并对数模进行切片和激光扫描路径规划；

S3：设定激光沉积制造参数并编制工艺控制程序；

S4：完成激光沉积制造前准备工作；

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。

本发明所述外圆呈锯齿状的圆管形钩爪销孔区耐磨层，其特征是：圆管外直径不小于10.5mm，不大于19.0mm。

本发明所述钩爪激光增材制造方法S1步骤，其特征在于：钩爪毛坯销孔处保留直径介于2mm~4mm的孔。

本发明所述钩爪激光沉积制造方法S2步骤，其特征在于：

S2-1：采用钩爪毛坯以钩齿面中心法线与其轴线所在平面呈水平的侧向平放方式生长；

S2-2：将钩爪毛坯数模进行切片；

S2-3：对切片进行分区，并规划每个分区的激光扫描路径；

S2-4：编制钩爪毛坯切片和激光沉积制造程序文件。

本发明所述激光沉积制造钩爪毛坯S3步骤设定激光沉积制造参数，其特征在于：激光光斑直径为φ2mm~φ6mm，激光功率为1kw~5Kw，激光扫描速度3mm/s~30mm/s，激光扫描搭接率为30%~50%，切片层厚为0.5mm~2.0mm。

本发明所述激光沉积制造钩爪毛坯S4步骤，其特征在于：

S4-1：对基材去油污，表面打磨去除氧化皮，然后清洗烘干；

S4-2：将基材放置到氩气氛保护的激光沉积成形仓的工作平台上并固定，调整送粉器到基材表面的距离，并设定激光扫描的起点和终点；

S4-3：将激光沉积制造钩爪毛坯用原材料粉末装入送粉器；

S4-4：进行激光沉积制造程序预运行，检测设备运行准确性和程序运行的合理性；

本发明所述激光沉积制造钩爪毛坯S6步骤的热处理，其特征在于：热处理温度为800℃~1075℃，冷却方式为随炉冷却。

本发明所述S7步骤的机加工，其特征在于：

S7-1：基准面加工——铣加工钩爪毛坯的沉积面顶面和底部切割面成为加工基准面；

S7-2：销孔轴心定位——将下销孔圆形耐磨区圆心位置定位为销孔轴心，再按照尺寸要求在上销孔圆形耐磨区圆心位置定位上销孔轴心；

S7-3：打孔——以定好的轴心在销孔耐磨层区进行铣孔；

S7-4：然后以上、下销孔轴心为基准编制数控加工程序，完成钩爪的机加工。

本发明所述S2-3数模切片，其特征在于：销孔层切片平面内至少分为四个扫描分区——基体区、下销孔耐磨材料区和上销孔部耐磨材料区；上下销孔耐磨材料区是以钩爪销孔轴心为中心的圆形；该圆形直径介于10.5mm~19mm之间；相邻两层切片的圆形耐磨材料区直径相差2mm~4mm。

本发明所述S2-4激光扫描路径规划，其特征在于：销孔耐磨材料区激光扫描路径为圆形轨迹；相邻两层切片基体区的激光扫描路径可以相同，也可以呈一定角度，如90°。

本发明所述S4-1步骤的基材，其特征在于：基材为不锈钢，如12Cr17Mn6Ni5N，12Cr18Ni9，Y12Cr18Ni9，Y12Cr18Ni9Cu3，06Cr19Ni10，00Cr18Ni9N。

本发明所述S4-3激光沉积制造钩爪毛坯原材料粉末，其特征在于：钩爪基体原材料粉末为00Cr18Ni9N控氮奥斯体不锈钢；耐磨层原材料粉末为Stellite 6钴基合金。

本发明所述S4-3送粉器，其特征在于：送粉器至少拥有两个密封的送粉仓。

本发明所述00Cr18Ni9N控氮奥斯体不锈钢粉末，其特征在于：该材质粉末的制造方法为旋转电极法或者气体雾化法。

本发明所述Stellite 6钴基合金粉末，其特征在于：该材质粉末的制造方法为旋转电极法或者气体雾化法。

本发明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。本发明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发明进一步说明，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 耐磨材料与基体的锯齿状结合面；

图8激光沉积制造钩爪毛坯结构示意图；

图9 激光沉积制造钩爪毛坯销孔层切片示意图；

图10 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11激光沉积Stellite 6热处理硬度-温度曲线；

图12激光沉积控氮奥氏体不锈钢热处理硬度-温度曲线；

图13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下销孔轴心，10——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。本发明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；

本发明中钩爪毛坯销孔直径分别是2mm，3mm和4mm。销孔耐磨层外圆呈锯齿状的圆管形耐磨层齿根截面圆直径大于销孔直径，小于钩爪侧面的宽度19mm。本发明耐磨区分别采用直径10.5mm，14mm和19mm，齿间距分别为0.5mm、1mm、1.5mm和2.0mm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，本发明采用钩齿面中心法线与其轴线所在平面呈水平的侧向平放，沿箭头所指竖直方向逐层堆积生长的成形方案，如图8所示；

按照该方案进行切片时，钩爪切片平面内结构将完全相同，如图9所示。每个切片分为四个区域：基体5、下销孔耐磨材料区6、上销孔耐磨材料区7和钩齿区8。相邻两层切片的销孔耐磨材料区直径大小相差2mm~4mm，使耐磨材料区与基体形成锯齿状连接，如图7所示；

对切片进行激光扫描路径规划。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。本发明中，相邻两层切片的激光扫描路径呈90°垂直；销孔耐磨材料区激光扫描路径为圆形轨迹，如图10所示，图10（a）和图10（b）是相邻两个切片的激光扫描路径规划；此时需要设定扫描间距，即激光扫描搭接率，本发明搭接率为30%~50%之间。

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。本发明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；第三步，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。本发明采用的是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。本发明所用原材料为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。本发明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

本发明按照表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11和图12所示，图11为激光沉积Stellite 6硬度—温度曲线，图12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，本发明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，本发明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，首先加工钩爪成形顶面和底面（钩爪两个侧面）成基准面，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8、下销孔区6和上销孔区7测试Stellite 6耐磨层的洛氏硬度，每个区测试不少于3个点。本发明中，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6定位下销孔轴心9，然后以轴心9为基点，在上部的Stellite 6区域7定位上销孔轴心10，理论上轴心10也应该是区域7圆形的圆心，但实际中会有偏差，如图13所示。编制数控加工程序，分别以轴心9和轴心10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。本发明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。