一种具有新型耐磨层结构的钩爪及其制造方法技术

本发明专利技术公开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制造方法。该钩爪结构为：销孔的耐磨层外形为方形；钩齿与基体的结合面为平面。本发明专利技术采用激光3D打印技术，制造步骤如下：S1：建立毛坯三维数模；S2：制定激光沉积制造方案，并对数模进行切片和激光扫描路径规划；S3：设定制造参数并编制工艺控制程序；S4：完成制造前准备工作；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。本发明专利技术制造的钩爪具有比氧乙炔堆焊钩爪更好的力学性能，生产过程完全自动控制，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。

【技术实现步骤摘要】
一种具有新型耐磨层结构的钩爪及其制造方法
本专利技术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。
技术介绍
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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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；本专利技术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。本专利技术所述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。本专利技术所述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。本专利技术所述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°。本专利技术所述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。本专利技术所述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Stellite6钴基合金。本专利技术所述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。本专利技术所述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。本专利技术所述Stellite6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。本专利技术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。本专利技术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专利技术进一步说明，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Stellite6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Stellite6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。该工艺的难点之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用激光增材制造技术制造的核电站控制棒驱动机构钩爪，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种利用激光增材制造技术制造的核电站控制棒驱动机构钩爪，其特征在于：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。2.权利要求1所述的新型耐磨层结构的核电站控制棒驱动机构钩爪的激光增材制造方法，包括如下步骤：S1：建立钩爪毛坯三维数字模型；S2：制定钩爪激光增材制造方案，并对数模进行切片和激光扫描路径规划；S3：设定激光增材制造参数并编制工艺控制程序；S4：完成激光增材制造前准备工作；S5：按照设定的程序进行激光增材制造；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。3.权利要求1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。4.权利要求2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。5.权利要求2所述钩爪激光增材制造方法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增材制造程序文件。6.权利要求2所述激光增材制造钩爪毛坯S3步骤设定激光增材制造参数，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。7.权利要求2所述激光增材制造钩爪毛坯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：将激光增材制造钩爪毛坯用原材料粉末装入送粉器；S4-4：进行激光增材制造程序预运行，检测设备运行准确性和程序运行的合理...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红宾，李旺，孙峰，李广生，潘宝珠，
申请(专利权)人：鑫精合激光科技发展北京有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11