一种核电厂控制棒驱动机构钩爪及其制备方法与流程

本发明属于核工程技术领域，尤其涉及一种核电厂控制棒驱动机构钩爪及及其制备方法。

背景技术：

核电厂控制棒驱动机构(crdm)的钩爪是实现控制棒提升、保持和下插功能的关键运动执行部件，容易磨损，是故障多发部件。

现有技术中核电厂控制棒驱动机构采用的是单齿钩爪，以控氮奥氏体不锈钢(z2cn19-10)棒材为基体，在钩爪的销轴孔和齿尖表面堆焊一层钴基合金(stellite6)耐磨层，以增加其表面的耐磨性和抗冲击能力，提高crdm的使用寿命。目前该耐磨层是采用氧乙炔钴基合金堆焊技术手工堆焊而成。然而现有工艺存在以下缺点：1)手工工艺控制稳定性差，成品率低，成本高；2)由于焊接过程中热输入量大和工艺的不稳定性，存在堆焊层组织粗大和熔敷金属成分不均匀，钩爪性能差等问题。

因此，提供一种核电厂控制棒驱动机构钩爪，提高钩爪的耐磨性，减少因磨损而发生故障的概率，提高可靠性，是现有技术中核电厂控制棒驱动机构钩爪亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种核电厂控制棒驱动机构钩爪，提高钩爪的耐磨性，减少因磨损而发生故障的概率，提高可靠性。同时提供了一种核电厂控制棒驱动机构钩爪的制备方法，采用金属3d打印工艺，改善钩爪性能，提高成品率。

一方面，本发明提供一种核电厂控制棒驱动机构钩爪，包括由两种材料以逐个片层依次堆叠方式打印形成的钩爪本体和耐磨层；所述钩爪本体包括钩爪基体，设置在所述钩爪基体上且贯穿所述钩爪基体的轴销孔,设置于所述钩爪基体一侧壁上的齿尖，以及设置在所述钩爪基体且背离所述齿尖一侧上的凹槽，所述耐磨层分别以镶嵌方式形成在所述轴销孔内周壁、以及所述齿尖的外表面上。

优选地，所述钩爪本体与耐磨层的搭接区域为交错结构。

优选地，所述逐个片层依次堆叠方式打印是根据构建钩爪毛坯的三维数字模型实现。

优选地，所述两种材料分别为控氮奥氏体不锈钢和钴基合金，所述钩爪本体由所述控氮奥氏体不锈钢组成，所述耐磨层由钴基合金组成。

另一方面，本发明提供了一种核电厂控制棒驱动机构钩爪制备方法，包括如下步骤：

s1、根据权利要求1-4任意一项所述的核电厂控制棒驱动机构钩爪的结构制定3d打印制造工艺：构建钩爪毛坯的三维数字模型，对三维数字模型进行分层切片处理，将三维数字模型沿销轴孔轴向分为多个片层，每一片层均包括分别由两种材料组成的基材区和耐磨区，所述耐磨区镶嵌于所述基材区内，其中所述基材区用于加工形成钩爪基体，所述耐磨区用于加工形成轴销孔内周壁、以及齿尖的外表面上的耐磨层；

s2、利用3d打印制造工艺逐个片层依次堆叠打印形成所述钩爪毛坯，通过控制打印参数，依次将每一片层烧结或熔结并同时连结各片层；

s3、在3d打印制造完成钩爪毛坯后，利用机加工设备进行机加工，以形成销轴孔、齿尖及钩爪凹槽，得到成型后的核电厂控制棒驱动机构钩爪。

优选地，每一片层在所述每一轴销孔所在位置处均设置中心定位小孔，所述中心定位小孔用于在后续机加工过程中标定销轴孔位置，同时也用于减少热应力集中。

优选地，所述三维数字模型构建过程中，在所述钩爪基体四周、轴销孔内周壁以及齿尖外表面处均设置一定厚度的辅助加工余量，所述辅助加工余量通过后续机加工进行剔除。

优选地，所述基材区和耐磨区搭接区域为交错结构，所述交错结构用于增强基材区和耐磨区接触面的结构稳定性。

优选地，所述两种材料分别为控氮奥氏体不锈钢和钴基合金，所述基材区沉积控氮奥氏体不锈钢，所述耐磨区沉积钴基合金。

优选地，所述基材区包括第一基材区和第二基材区，所述耐磨区包括第一耐磨区、第二耐磨区和第三耐磨区，所述第一耐磨区镶嵌在第一基材区内，所述轴销孔包括轴销孔一和轴销孔二；

所述第二耐磨区以及所述第三耐磨区镶嵌于所述第二基材区内，其中所述第一耐磨区用于加工形成所述轴销孔一内周壁耐磨层，所述第二耐磨区用于加工形成所述轴销孔二内周壁耐磨层，所述第三耐磨区用于加工形成所述齿尖外表面耐磨层。

优选地，所述片层由下到上依次为底层、中间层组和顶层，其中所述中间层组包括至少两层中间层，中间层组中各层的第一耐磨区、第二耐磨区和第三耐磨区相互独立间隔。

优选地，所述底层和顶层中的所述第一耐磨区、第二耐磨区和第三耐磨区相互连通。

优选地，所述打印参数包括金属沉积方向，其中同一片层任意相邻区域的激光金属沉积方向垂直交错，相邻上下两个片层相接处的两区域的激光金属沉积方向垂直交错，所述区域为第一基材区、第二基材区、第一耐磨区、第二耐磨区和第三耐磨区中的一个。

优选地，所述打印参数还包括喷粉厚度、烧结厚度、激光的输出功率、扫描速度、扫描宽度及扫描路径。

优选地，在步骤s3之后还包括：

s4、对所述成型后的钩爪进行热处理、检验处理及精加工与表面处理。

本发明方案提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、本发明解决现有手工堆焊钩爪技术存在的组织粗大和熔敷金属成分不均匀导致的成品率低，以及长期服役易磨损导致的可靠性低的问题，借助激光金属沉积改善钩爪材料组织，使异种材料制得的钩爪各部分更加致密、均匀，极大提高其力学性能，增强其表面的耐磨性和抗冲击能力，同时提高钩爪的成品率和长周期服役的可靠性。

2、钩爪采用异种材料镶嵌式齿型交错结构型式，提高钩爪各部件连接稳定性，有效降低齿尖及轴销孔从钩爪基体脱落的概率，减少了因磨损而发生故障的概率，提高了可靠性，增强了使用寿命。

3、3d打印与机加工结合的复合制造工艺有效降低劳动强度，提高钩爪成品率，同时降低生产制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例一提供的核电厂控制棒驱动机构钩爪的结构示意图；

图2为本发明的实施例二提供的核电厂控制棒驱动机构钩爪制备方法流程图；

图3为本发明的实施例二提供的钩爪毛坯的三维数字模型截面图；

图4a为本发明的实施例二提供的钩爪毛坯相邻两中间层示意图；

图4b为本发明的实施例二提供的钩爪毛坯顶层或底层示意图。

具体实施方式

本发明针对现有技术中存在的问题，提供了一种核电厂控制棒驱动机构钩爪及其制备方法，所述钩爪采用两种不同材料通过3d逐个片层依次堆叠方式打印，结合机加工的复合制造工艺制得，钩爪的耐磨层以镶嵌方式形成在轴销孔内周壁、以及齿尖的外表面上，本发明解决现有手工堆焊钩爪技术存在的组织粗大和熔敷金属成分不均匀导致的成品率低，以及长期服役易磨损导致的可靠性低的问题，借助激光金属沉积改善钩爪材料组织，使异种材料制得的钩爪各部分更加致密、均匀，极大提高其力学性能，增强其表面的耐磨性和抗冲击能力，同时提高钩爪的成品率和长周期服役的可靠性。

为了更好的理解本发明技术方案，下面将结合说明书附图以及具体实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的核电厂控制棒驱动机构钩爪的结构示意图。

如图1所示，一种核电厂控制棒驱动机构钩爪，包括由两种材料以逐个片层依次堆叠方式打印形成的钩爪本体和耐磨层；所述钩爪本体包括钩爪基体1，设置在钩爪基体1上且贯穿钩爪基体1的轴销孔2,设置钩爪基体1一侧壁上的齿尖3，以及设置在钩爪基体1背离齿尖3一侧上的凹槽8，所述耐磨层分别以镶嵌方式形成在轴销孔2内周壁、以及齿尖3的外表面上，所述耐磨层的具体厚度可根据实际工艺需求具体设定，上述钩爪可采用单齿或双齿结构型式，均可以在毛坯的基础上加工得到钩爪外形尺寸，齿尖3和销轴孔尺寸和相对位置均不限于本实施例。钩爪的齿尖3和销轴孔表面粗糙度为ra0.8至ra3.2。钩爪的齿尖3斜面角度为45度，齿尖3表面均匀圆滑过渡。

具体地，所述逐个片层依次堆叠方式打印是根据构建钩爪毛坯的三维数字模型实现。

具体地，所述钩爪本体与耐磨层的搭接区域为交错结构，所述交错结构具体为齿形交错结构，此种结构有效增强有两种不同材料制成的钩爪本体和耐磨层之间的结合强度，有效降低齿尖3表面及轴销孔2内周壁上的耐磨层从钩爪本体上脱落的概率，从而降低核电厂控制棒驱动机构发生故障的概率。

具体地，所述两种材料分别为控氮奥氏体不锈钢和钴基合金，所述钩爪本体由所述控氮奥氏体不锈钢组成，所述耐磨层由钴基合金组成。

在本实施例中，由两种材料以逐个片层依次堆叠方式打印形成的钩爪解决现有堆焊技术存在的组织粗大和熔敷金属成分不均匀等缺陷，所述钩爪各部分致密、均匀，力学性能优良，具有较强的表面的耐磨性和抗冲击能力。

实施例二

本实施例提供一种核电厂控制棒驱动机构钩爪制备方法，采用了先3d打印制造工艺打印出钩爪毛坯，再进行机加工的混合制造方式，如图2所示，包括如下步骤：

s1、根据实施例一提供的的核电厂控制棒驱动机构钩爪的结构制定3d打印制造工艺：构建钩爪毛坯的三维数字模型，对三维数字模型进行分层切片处理，将三维数字模型沿销轴孔轴向分为多个片层，结合图3所示，每一片层均包括分别由两种材料组成的基材区5和耐磨区4，所述耐磨区4镶嵌于基材区5内，其中基材区5用于加工形成钩爪本体，耐磨区4用于加工形成轴销孔2内周壁、以及齿尖3的外表面上的耐磨层；在本实施例中所述基材区5的横截面积大于所述钩爪基体1的横截面积。

s2、将3d打印制造工艺的资料传到3d打印设备中，利用3d打印制造工艺逐个片层依次堆叠打印进行所述钩爪毛坯，通过控制打印参数，依次将每一片层烧结或熔结并同时连结各片层；

s3、在3d打印制造完成钩爪毛坯后，利用机加工设备进行机加工，以形成销轴孔2、齿尖3及钩爪凹槽8，得到成型后的核电厂控制棒驱动机构钩爪；

s4、对所述成型后的钩爪进行热处理、精加工与表面处理及检验处理，具体地，对成型后的钩爪进行热处理，改善材料性能，在确保各项材料性能指标满足设计要求后，进行精加工与表面处理，使所有尺寸公差，以及表面性能满足设计要求。最后对钩爪进行无损检测等方面的产品检验，直至产品满足所有设计要求后，再进行产品交付。

具体地，如图3所示，在步骤s1中，每一片层在每一轴销孔2所在位置处均设置中心定位小孔7，所述中心定位小孔7用于在后续机加工过程中标定销轴孔2位置，同时也用于减少热应力集中，在本实施例中，所述中心定位小孔7与对应所述轴销孔2同轴设置。

具体地，在步骤s1三维数字模型构建过程中，在钩爪基体1四周、轴销孔2内周壁以及齿尖3外表面处均设置一定厚度的辅助加工余量6，所述辅助加工余量6通过后续机加工进行剔除，具体地，所述基材区5外围设置一定第一辅助加工余量62，耐磨区4附近设置一定第二辅助加工余量61，这些辅助加工余量6有助于后续的机加工，且通过后续机加工去除。所述基材区5外围设置的第一辅助加工余量62通过机加工去除后形成所述钩爪本体；所述耐磨区4周围的第二辅助加工余量61通过机加工去除后即形成钩爪表面的耐磨层。

具体地，在步骤s1中所述基材区5和耐磨区4搭接区域为交错结构，所述交错结构具体为齿形交错结构，所述齿形交错结构可有效增强基材区5和耐磨区4接触面的结构稳定性，现有技术通过氧乙炔钴基合金堆焊技术手工堆焊形成的钩爪，其耐磨层与钩爪本体接触面为平面结构，而本实施例将每一片层基材区5和耐磨区4接触交界面设置为齿形交错结构，此种结构有效增强由钴基合金耐磨材料制成的耐磨层与钩爪本体之间的结合强度，有效降低齿尖3及轴销孔2表面的耐磨层从钩爪本体脱落的概率，从而降低核电厂控制棒驱动机构发生故障的概率。

具体地，所述两种材料分别为控氮奥氏体不锈钢和钴基合金，所述基材区5沉积控氮奥氏体不锈钢，所述耐磨区4沉积钴基合金，在3d打印过程中，具体两种不同材料区域的打印顺序不做具体限定，每一片层打印过程中，可以先沉积控氮奥氏体不锈钢打印基材区5，后沉积钴基合金打印耐磨区4，也可以与之相反。

具体地，如图4a和图4b所示，所述基材区5包括第一基材区51和第二基材区52，耐磨区4包括第一耐磨区41、第二耐磨区42和第三耐磨区43，所述第一耐磨区41镶嵌在第一基材区51内，第二耐磨区42和第三耐磨区43镶嵌于第二基材区52内，其中第一耐磨区41用于加工形成轴销孔一21内周壁的耐磨层，第二耐磨区42用于加工形成轴销孔二22内周壁的耐磨层，第三耐磨区43用于加工形成齿尖3外表面耐磨层。

在打印参数包括金属沉积方向，在图4a和图4b中，各区域填充剖面线代表激光金属沉积方向，从图中可以看出，在本实施例中基材区5和耐磨区4分别分为两个和三个区，其中同一片层任意相邻区域的激光金属沉积方向垂直交错，相邻上下两个片层相接处的两区域的激光金属沉积方向也垂直交错，其中所述区域为第一基材区51、第二基材区52、第一耐磨区41、第二耐磨区42和第三耐磨区43中的一个。此种设置不仅有利于增强不同种材料之间相互作用，同时也减小3d打印材料各向异性的影响，有利于减小热应力集中的影响，且使得钩爪各部分更加致密、均匀，极大提高其力学性能。在其他实施例中，为了更好减小3d打印材料各向异性的影响，减小热应力集中，基材区5和耐磨区4也可分为更多区，只要保证相邻区域激光金属沉积方向垂直交错即可。此外，钩爪毛坯中每一片层不同区域的成形顺序不受限制，各区域激光金属沉积方向也不受限制，可不同于图4a和图4b各剖面线具体方向，只需要满足同一片层或相邻片层中相邻区域沉积方向不同即可，可以调换图4a和图4b中上下相邻两片层激光金属沉积方向，或调换同一片层不同区域激光金属沉积方向，此外，激光金属沉积扫描路径不限于直线，也可以为螺旋曲线。

具体地，中间层组中各层的耐磨区4相互独立间隔，此种设置是由于耐磨区4主要是用于分别加工轴销孔一21和轴销孔二22内周壁耐磨层以及齿尖3外表面耐磨层，而这三个部位相互间隔，将中间层组中各层的耐磨区4设置为相互独立间隔。

具体地，底层和顶层中的第一耐磨区41、第二耐磨区42和第三耐磨区43相互连通，此种设置可使位于钩爪毛坯表面的各耐磨区4形成一个整体，有利于降低钩爪毛坯表面出现开裂的概率，在本实施例中，所述底层和所述顶层厚度为5mm。

具体地，所述打印参数还包括喷粉厚度、烧结厚度、激光的输出功率、扫描速度、扫描宽度及扫描路径。

本实施例通过3d打印技术制备核电厂控制棒驱动机构的钩爪，避免了现有技术由于异种材料的堆焊，堆焊层容易出现组织粗大和熔敷金属成分不均匀等问题，同时改善钩爪材料组织，使其更加致密、均匀，同时提高其力学性能，增强其表面的耐磨性和抗冲击能力。

综上所述，本申请方案相对于现有技术至少具有以下有益技术效果：

1、采用3d打印与机加工结合的复合制造工艺，由两种材料以逐个片层依次堆叠方式打印形成的钩爪解决现有手工堆焊钩爪技术存在的组织粗大和熔敷金属成分不均匀导致的成品率低，以及长期服役易磨损导致的可靠性低的问题，借助激光金属沉积改善钩爪材料组织，使异种材料制得的钩爪各部分更加致密、均匀，极大提高其力学性能，增强其表面的耐磨性和抗冲击能力，同时提高钩爪的成品率和长周期服役的可靠性。

2、钩爪采用异种材料镶嵌式齿型交错结构型式，提高钩爪各部件连接稳定性，有效降低齿尖及轴销孔从钩爪基体脱落的概率，减少了因磨损而发生故障的概率，提高了可靠性，增强了使用寿命。

3、3d打印与机加工结合的复合制造工艺有效降低劳动强度，提高钩爪成品率，同时降低生产制造成本。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。