一种核级高温自润滑复合板及其制备方法与流程

本发明涉及核能装备制造，尤其是涉及一种核级高温自润滑复合板及其制备方法。

背景技术：

1、在电力结构中，核能作为一种新兴的清洁绿色能源，是实现双碳目标的重要途径之一。随着三代核能技术的不断优化和四代核能技术的创新发展，核能系统的设计服役工况也更加严苛，同时对服役寿期和安全的要求也进一步提高，因此需要不断开发满足前沿核能使用要求的装备。

2、自润滑复合板是一种用于核反应堆压力容器、蒸汽发生器、堆芯补水箱等主设备和管道支撑组件中的重要部件，具有摩擦系数小的特点，在启停核反应堆或者系统温度发生变化时，能够使主设备或管道能够通过自由的胀缩位移有效释放由于温度变化引起的过大热应力，保障整个系统的安全。但目前，在已建成的核能系统中，使用的类似减摩功能部件在服役温度要求和使用寿命方面仍无法满足新型核能设计系统的运行需要，如三代核电的压力容器支座设备使用的减摩板部件，最高使用温度285℃，服役寿命为60年。该条件已无法满足新型核能系统升级使用要求，服役温度不低于350℃，使用寿命满足80年等更高性能的要求。

3、中国专利文献(申请号201620548349.3)公开了一种反应堆压力容器支撑用减摩板，结构上包括板体，在板体一面设有若干均匀分布的定位盲孔，在每个定位盲孔内分别设有固体润滑柱且所述的固体润滑柱外端凸出于板体设有定位盲孔的一面，固体润滑柱与定位盲孔之间过盈配合且固体润滑柱通过压入方式镶嵌在定位盲孔内。固体润滑柱端面与板体设有定位盲孔的一面之间形成0.25-0.38mm的垂直距离。该方案虽然已经解决了摩擦系数大的问题，并具有一定的使用寿命，然而在不断提升的温度和服役寿命要求上，在技术上该方案仍存在一定的不足。

4、为了适应核能技术快速发展的技术进程，急需开发一种满足长期高温服役要求，结构安全可靠、摩擦系数小、服役寿命更长的核级高温自润滑复合板产品及其相对应的加工制备方法。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种核级高温自润滑复合板及其制备方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的第一个目的是提供一种核级高温自润滑复合板，包括金属基体和石墨圆柱复合件；

4、所述金属基体的表面设置有若干容纳石墨圆柱复合件的镶嵌孔，所述石墨圆柱复合件包括第一石墨圆柱和第二石墨圆柱；

5、其中，第一石墨圆柱和第二石墨圆柱呈一体化，第一石墨圆柱凸出于金属基体的表面，第二石墨圆柱嵌于镶嵌孔内；

6、所述第二石墨圆柱外侧设置有银膜层。

7、本发明中，石墨圆柱复合件的面积之和占金属基体工作表面面积35％～45％。

8、在本发明的一个实施方式中，所述镶嵌孔远离金属基体工作表面的一侧(的底部)呈圆角设置。

9、在本发明的一个实施方式中，所述金属基体具有良好的高温抗氧化性、抗生长性能和较低的热膨胀系数，在高温长期运行时，能保证良好的机械物理性能和尺寸稳定性；

10、优选地，所述金属基体的材质选自高温合金或耐热铸铁合金中的一种；热膨胀系数介于(12～14)×10-6/℃，并在350℃以上具有良好的高温性能；

11、更优选地，所述金属基体的材质为耐热铸铁合金，耐热铸铁合金相比于高温合金材料具有更低的热膨胀系数，可以进一步提升高温条件下固体润滑石墨柱镶嵌的牢固性，同时，自润滑复合板的尺寸稳定性也更好。

12、在本发明的一个实施方式中，石墨圆柱起到承载和润滑的双重作用，热膨胀系数约为5×10-6/℃，具有不低于100mpa的抗压强度和不超过0.25的高温摩擦系数；

13、优选地，采用抗压强度约130～160mpa的高强度石墨柱，在金属基体镶嵌孔的约束作用下，能够承受静载荷不低于250mpa的极限静载荷，而不破坏石墨柱的结构完整性，保障核能系统具有足够的结构安全性。

14、银膜层具有较大热膨胀系数，约为19×10-6/℃，主要为弥补金属基体热胀系数大于石墨圆柱热胀系数的热胀差值，保证自润滑固体圆柱在高温下与金属基体配合牢固无松动，银膜层的厚度为0.1～0.3mm，轴向镀膜尺寸不超过镶嵌孔深，为5～6mm。

15、在本发明的一个实施方式中，所述第一石墨圆柱与第二石墨圆柱的中轴线相同。

16、在本发明的一个实施方式中，所述第一石墨圆柱的外径大于第二石墨圆柱的外径。

17、在本发明的一个实施方式中，所述第一石墨圆柱的外径与银膜层的外径相同；

18、所述银膜层的外径与镶嵌孔的内径相同。

19、在本发明的一个实施方式中，所述第一石墨圆柱的高度为0.3～0.5mm；

20、所述第二石墨圆柱的高度与镶嵌孔的深度相同。

21、在本发明的一个实施方式中，银膜层远离第一石墨圆柱的一侧呈倒角设置；

22、优选地，银膜层具有不小于c0.2的倒角，保证石墨圆柱可以完全安装入镶嵌孔内。

23、本发明的第二个目的是提供一种核级高温自润滑复合板的制备方法，包括以下步骤：

24、(s1)在金属基体工作表面一侧加工镶嵌孔，并对镶嵌孔底部进行圆角处理；

25、将在第二石墨圆柱外侧镀银膜层，并对银膜远离第一石墨圆柱的一侧做倒角处理，得到石墨圆柱复合件；

26、(s2)步骤(s1)结束后，将处理后的金属基体预热；

27、将步骤(s1)得到的石墨圆柱复合件浸泡于液氮中；

28、(s3)步骤(s2)结束后，将处理后的石墨圆柱复合件置于预热后的金属基体的镶嵌孔中，然后冷却至室温，后处理得到核级高温自润滑复合板。

29、在本发明的一个实施方式中，步骤(s1)属于关键工序，对镶嵌孔加工完后需要对其进行精铣精铰处理，镶嵌孔为平底盲孔，孔底的圆角不超过r0.2，使石墨柱镶嵌后底部可以充分接触，应力分布较为均匀，保障自润滑复合板具备足够的承载能力。

30、在本发明的一个实施方式中，步骤(s2)中，预热过程中，温度为200～220℃，使金属基体表面的镶嵌孔产生适当的膨胀扩大；

31、石墨圆柱复合件的浸泡时间高于24h，使石墨圆柱在低温条件下产生适当的尺寸收缩。

32、在本发明的一个实施方式中，步骤(s3)中，装配时，采用带有弧形的夹子从液氮中取出石墨圆柱复合件，直接在已预热的金属基体上装配，将镀有银膜层的一端(第二石墨圆柱)装入镶嵌孔内，无银膜覆盖的一端(第一石墨圆柱)凸出于金属基体工作表面；整个装配过程需在加热台上持续加热，直至所有石墨圆柱复合件镶嵌完毕。

33、在本发明的一个实施方式中，步骤(s3)中，石墨圆柱复合件高于金属基体工作表面0.6mm以上；

34、所述后处理为磨削石墨圆柱复合件至其处于同一平面，石墨圆柱复合件应当完好无碎裂或者磕碰伤。

35、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

36、本发明的一种核级高温自润滑复合板及其制备方法能够提升自润滑复合板的使用温度，保障其在高温下长期服役结构上足够安全可靠，并能满足长期服役(高温350℃以上、不低于80年长期低摩擦运行)的要求，可为新型核能系统的建设提供必要的技术支撑。