一种核电厂控制棒驱动机构钩爪及其制备方法技术

本发明专利技术公开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；所述耐磨层分别以镶嵌方式形成在轴销孔内周壁、以及齿尖的外表面上，所述制备方法包括如下步骤：S1、根据钩爪结构制定3D打印制造工艺；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；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，得到成型后的钩爪。本发明专利技术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。

A hook for driving mechanism of control rod in nuclear power plant and its preparation method

The invention discloses a nuclear power plant control rod drive mechanism claw and a preparation method thereof, wherein the claw consists of two kinds of materials by layer are sequentially stacked to form printing claw body and wear-resisting layer; the wear layer respectively in an inlaid mode formed in the inner peripheral wall, pin hole and tooth the tip of the outer surface, the preparation method comprises the following steps: S1, according to the hook claw structure define manufacturing process of 3D printing; S2, the use of 3D printing manufacturing process by piece layer are sequentially stacked to form the claw print blank; in S3, 3D printing manufactured hook blank after machining, using the machine processing equipment, to form a pin hole, the tooth and claw groove, obtained after forming the claw. The invention uses laser metal deposition to improve the organization claw material, the dissimilar materials prepared by the claw of each part is more dense and uniform, greatly improve the mechanical properties, enhance the surface wear resistance and impact resistance, and improve the claw yield and long cycle service reliability.

【技术实现步骤摘要】
一种核电厂控制棒驱动机构钩爪及其制备方法
本专利技术属于核工程
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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、本专利技术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专利技术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专利技术的一些实施例，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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术的实施例二提供的钩爪毛坯的三维数字模型截面图；图4a为本专利技术的实施例二提供的钩爪毛坯相邻两中间层示意图；图4b为本专利技术的实施例二提供的钩爪毛坯顶层或底层示意图。具体实施方式本专利技术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，本专利技术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。为了更好的理解本专利技术技术方案，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，应当理解本专利技术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，本专利技术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为本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种核电厂控制棒驱动机构钩爪，其特征在于，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)，设置在所述钩爪基体(1)上且贯穿所述钩爪基体(1)的轴销孔(2),设置于所述钩爪基体(1)一侧壁上的齿尖(3)，以及设置在所述钩爪基体(1)且背离所述齿尖(3)一侧上的凹槽(8)，所述耐磨层分别以镶嵌方式形成在所述轴销孔(2)内周壁、以及所述齿尖(3)的外表面上。

【技术特征摘要】
1.一种核电厂控制棒驱动机构钩爪，其特征在于，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)，设置在所述钩爪基体(1)上且贯穿所述钩爪基体(1)的轴销孔(2),设置于所述钩爪基体(1)一侧壁上的齿尖(3)，以及设置在所述钩爪基体(1)且背离所述齿尖(3)一侧上的凹槽(8)，所述耐磨层分别以镶嵌方式形成在所述轴销孔(2)内周壁、以及所述齿尖(3)的外表面上。2.根据权利要求1所述的核电厂控制棒驱动机构钩爪，其特征在于，所述钩爪本体与耐磨层的搭接区域为交错结构。3.根据权利要求1所述的核电厂控制棒驱动机构钩爪，其特征在于，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。4.根据权利要求3所述的核电厂控制棒驱动机构钩爪，其特征在于，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。5.一种核电厂控制棒驱动机构钩爪制备方法，其特征在于，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(5)和耐磨区(4)，所述耐磨区(4)镶嵌于所述基材区(5)内，其中所述基材区(5)用于加工形成钩爪基体(1)，所述耐磨区(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；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，以形成所述销轴孔(2)、所述齿尖(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。6.根据权利要求5所述的核电厂控制棒驱动机构钩爪制备方法，其特征在于，每一片层在每一所述轴销孔(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位置，同时也用于减少热应力集中。7.根据权利要求5所述的核电厂控制棒驱动机构钩爪制备方法，其特征在于，所述三维数字模型构建过程中，在所述钩爪基体(1)四周、所述轴销孔(2)内周壁以及所述齿尖(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。8....

【专利技术属性】
技术研发人员：段远刚，刘彦章，张峰，赵建光，张飞，孙广，李石磊，谭磊，缪鹏，陈亮，熊志亮，
申请(专利权)人：深圳中广核工程设计有限公司，中广核工程有限公司，中国广核集团有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44