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核電常規(guī)島低壓轉(zhuǎn)子電熔成形方法與流程

文檔序號:12330662閱讀:757來源:國知局
核電常規(guī)島低壓轉(zhuǎn)子電熔成形方法與流程

本發(fā)明涉及一種核電常規(guī)島低壓轉(zhuǎn)子電熔成形方法。



背景技術(shù):

30Cr2Ni4MoV材料具有淬透性高,綜合機(jī)械性能好,熱加工工藝好等優(yōu)點,因此被廣泛應(yīng)用于核電汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)制造。但這種鋼是本質(zhì)粗晶粒鋼,有較強(qiáng)的遺傳特性,易產(chǎn)生晶粒粗大和混晶,對材料制造造成了很大的困難。

目前轉(zhuǎn)子鋼材料制備主要通過鋼錠冶鑄并經(jīng)鍛造成形后再多次正火熱處理實現(xiàn)的,以此工藝細(xì)化晶粒,獲取塑韌力學(xué)性能和高溫性能品質(zhì)良好的材料構(gòu)件。30Cr2Ni4MoV在現(xiàn)實生產(chǎn)中即在熱塑性變形基礎(chǔ)上經(jīng)過至少三次正火,獲取所需的淬透性高、綜合機(jī)械性能好、熱加工工藝性好的細(xì)晶轉(zhuǎn)子鋼材料。

盡管該工藝被毫無例外的用來生產(chǎn)該轉(zhuǎn)子鋼材料,但由于操作復(fù)雜(包括轉(zhuǎn)子鋼材料研發(fā),純凈鋼冶煉研發(fā),鍛造工藝研發(fā),熱處理工藝研發(fā)等等)、化學(xué)與力學(xué)性能控制難度大,熱處理時導(dǎo)致材料相組織不均勻,甚至是應(yīng)力開裂等缺點。另外鍛造結(jié)構(gòu)材料利用率低,周期長,也導(dǎo)致制造費用相對較高,效率低下;且由于我國自身技術(shù)水平的原因,制造的材料構(gòu)件質(zhì)量穩(wěn)定性差,廢品率高,導(dǎo)致項目工程嚴(yán)重拖期,造成極大的浪費。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

有鑒于此,本發(fā)明的主要目的在于,提供一種高效、低成本、具有良好力學(xué)性能的核電常規(guī)島低壓轉(zhuǎn)子電熔成形方法。

本發(fā)明的核電常規(guī)島低壓轉(zhuǎn)子電熔成形方法,其特征在于:

該方法是采用電弧熱、電阻熱、電渣熱復(fù)合而成的高能熱源,熔化連續(xù)輸送的金屬原料絲材,在基材上逐層凝固堆積成形制造轉(zhuǎn)子構(gòu)件;

將電熔頭與基材接至電源兩極,成形時金屬原料絲材經(jīng)由輸送機(jī)構(gòu)和電熔頭送至基材表面,在顆粒狀輔料的堆積保護(hù)下,原料絲材與基材間產(chǎn)生電弧,熔化部分堆敷輔料形成熔融渣池,電流流過原料絲材和熔融輔料渣池形成電阻熱和電渣熱,在電弧熱、電阻熱、電渣熱三種熱復(fù)合高能熱源作用下使原料絲材熔化,在基材表面形成局部熔池,持續(xù)輸送原料絲材與輔料,根據(jù)成形構(gòu)件的分層切片數(shù)據(jù),采用計算機(jī)控制電熔頭與基材的相對移動,實現(xiàn)熔池在基材上快速冷卻逐層凝固堆積,最終逐層堆積成形轉(zhuǎn)子構(gòu)件。

所述轉(zhuǎn)子的材料為30Cr2Ni4MoV材料,電熔制備所用金屬原料絲材C含量0.20-0.28%,電熔制得的材料C含量0.10-0.18%,晶粒度7-10級。

原料絲材按照不同轉(zhuǎn)子材料要求特殊制備,原料絲材直徑可以為2-5mm。

本發(fā)明中,根據(jù)轉(zhuǎn)子鋼尺寸和效率要求,電熔頭的數(shù)量可以設(shè)定為1~100個,多電熔頭排布時,相鄰電熔頭間距為50~500mm。

本發(fā)明中,所述基材可以為鋼管或鋼棒,外徑100-300mm,基材長度與轉(zhuǎn)子長度一致,用于為轉(zhuǎn)子工件提供工裝支撐,并在工件成形后機(jī)加工去除,基材為鋼管時,管壁壁厚不小于10mm。

電源可以是直流或交流電源,在使用直流電源時,電熔頭可接正極或負(fù)極。另外,根據(jù)成形工件要求,對基材或堆積金屬進(jìn)行加熱或冷卻,控制基材或堆積金屬預(yù)熱與層間溫度為100~400℃,電熔頭與基材的相對移動速度為300~800mm/min,實現(xiàn)熔池的快速凝固,從而獲得晶粒細(xì)密、無宏觀偏析、組織均勻的材料,極大的改善成形工件的塑性、韌性和高溫蠕變等力學(xué)性能。

在本發(fā)明中,在逐層成形的過程中,原料絲在下層金屬表面形成熔池,熔滴以射流形態(tài)進(jìn)入熔池后凝固使兩層金屬形成一體,實現(xiàn)分層成形,整體融合,保證了成形轉(zhuǎn)子的整體性能。

本發(fā)明擺脫了復(fù)雜的工裝、模具和專用工具的約束;成形即為近凈形坯件,生產(chǎn)后只需少量精加工,大大簡化加工工序,縮短產(chǎn)品周期,大大提高了效率,節(jié)省了成本;所成形轉(zhuǎn)子具有媲美傳統(tǒng)鍛造工藝的力學(xué)和化學(xué)性能,強(qiáng)度、韌性、耐蝕等性能均十分突出。

附圖說明

圖1A為用于說明具體實施方式中的電熔成形方法的原理圖;

圖1B為圖1A中A所示位置附近的局部放大圖;

圖2為用于說明實施例中的核電常規(guī)島低壓轉(zhuǎn)子電熔成形方法的示意圖。

具體實施方式

下面參照附圖對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行說明。圖1A為用于說明具體實施方式中的電熔成形方法的原理圖;圖1B為圖1A中A所示位置附近的局部放大圖。由于是原理圖,因而,圖中部件是示意性的,其實際形狀與尺寸關(guān)系不受圖示限制。

該成形方法是將原料絲材1熔化而逐層(圖1中所示為堆積至第N層時的狀態(tài))堆積在基礎(chǔ)材2上,從而最終形成所需的金屬構(gòu)件。

具體實施工序為:

A.送絲機(jī)構(gòu)5將原料絲材1送至放置于工作臺21上的基材2的表面,其上覆蓋由送粉機(jī)構(gòu)4輸送的顆粒狀輔料。

B.啟動電源12,電源電壓使原料絲材1與基材2間形成電弧9產(chǎn)生電弧熱,電弧熱使部分輔料3熔融,形成輔料渣池8,電流經(jīng)由電熔頭6流過原料絲材1形成電阻熱,并通過熔融渣池8形成電渣熱,三種熱源復(fù)合而成高能熱源,熔化原料絲材,在基材2表面形成熔池11。

C. 控制電熔頭6與基材2的相對移動和基材2的溫度,實現(xiàn)熔池11與基材換熱凝固沉積。

D.送絲機(jī)構(gòu)5與送粉機(jī)構(gòu)4持續(xù)輸送原料絲材1和輔料3,在輔料3覆蓋熔池11和基材2的狀態(tài)下,原料絲材1逐層堆積在基材2上,最終成形工件。

其中,控制裝置(計算機(jī))根據(jù)成形工件的(數(shù)值模擬、數(shù)學(xué)模型)分層切片數(shù)據(jù)控制電熔頭6與基材2的相對移動方式。

在本發(fā)明圖示中電熔頭電極接正,工件接負(fù)只作示意作用,也可以電熔頭接負(fù),工件接正,或采取交流電源。

在本發(fā)明中,為了保證形成良好的高能熱源,尤其是為了產(chǎn)生充分的電渣熱,可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)輔料的成分、原料絲材的直徑、電流、基材與原料絲材的相對移動速度等參數(shù)。

在本發(fā)明中,原料絲1的形態(tài)可以是圓棒狀、帶狀,實芯或者藥芯的;原料絲1的直徑可以根據(jù)成形工件的尺寸設(shè)定為2~5mm;根據(jù)絲材1直徑不同,伸出電熔頭的長度(通電長度)為20mm~150mm。

在本發(fā)明中,輔料3覆蓋厚度為15mm~120mm,使用輔料3的作用包括:覆蓋電弧9,防止電弧飛濺;覆蓋熔池11,隔絕空氣,使熔池金屬免受空氣中氧、氮、氫等的侵害;對熔池金屬形成保溫;冶金反應(yīng)過程中去除雜質(zhì)、摻入合金;形成的渣池8(渣殼7)以機(jī)械方式保護(hù)沉積金屬10良好成形等。

輔料3的成分包含氧化物或者氧化物與鹵化物,由于輔料3參與熔池反應(yīng),調(diào)整工件(金屬構(gòu)件、產(chǎn)品)成分,因而根據(jù)所要形成的金屬構(gòu)件的成分和效率要求,可以在輔料中添加合金粉末以及/或者單質(zhì)金屬粉末,降低生產(chǎn)成本。

另外,在C工序中,可以附帶回收殘余輔料以及去除渣池8凝固而形成的渣殼7的操作。去除時,可以在原料絲1的相對移動后方400mm~500mm處開始機(jī)器去除或人工去除作業(yè)。

采用本實施方式的電熔成形方法,原料絲利用率接近100%;相比現(xiàn)有的加工技術(shù)(鍛造、鑄造等),制造工序少(不需要復(fù)雜的熱處理),周期短,效率高,金屬構(gòu)件的機(jī)械加工余量非常小,同時減少了精加工時間及節(jié)約了大量的材料。

【實施例】

本實例中通過臥式電熔成形方法制作CPR1000核電站核電常規(guī)島整體低壓轉(zhuǎn)子,其長度為11000mm,最大外徑為2500mm,材料30Cr2Ni4MoV,基材選用42CrMo棒材,所使用的設(shè)備包括:

(1)回轉(zhuǎn)支撐臺;

(2)電熔電源;

(3)電熔頭;

(4)自動送絲裝置;

(5)輔料自動輸送與輔料自動回收裝置;

(6)加熱裝置;

(7)冷卻裝置;

(8)基材;

(9)控制裝置。

圖2為用于表示本實施例的電熔成形方法的示意性說明圖,圖中省略了電源、自動送絲裝置等裝置。材料電源參數(shù)如下:

1)選用原料絲材101、直徑3mm,C含量0.20-0.28,其它元素依據(jù)30Cr2Ni4MoV要求;

2)21個電熔頭601;

3)電熔電源為直流電源,采用電熔頭601接電源正極,基材201接電源負(fù)極;

4)電熔工藝參數(shù)為:電熔電流600A,電熔電壓30V,電熔頭601與基材201相對移動速度400~500mm/min;

5)基材201為42CrMo棒材,直徑300mm,長12.5米。

采用金屬構(gòu)件電熔成形方法制作構(gòu)件,其實施步驟如下:

(1)將基材201的軸線水平配置,并支撐在支撐滾輪架上上,先將21個電熔頭601以500mm的間距(通過中央控制裝置精確定位和排布)平均橫向布置在基材201的上方,且調(diào)整好每個電熔頭601與基材201表面(外周面)的距離,并選取電熔的起點;

(2)將原料絲材101與輔料301送至基材201表面,啟動電源,導(dǎo)入高能熱源,熔化原料絲材101及輔料301,同時轉(zhuǎn)動基材201,開始每個電熔頭601第一層第一道(每一層由軸向排列的多道構(gòu)成)的電熔沉積;

(3)當(dāng)電熔頭601與電熔起點之間形成一段距離后,開始啟動輔料301回收裝置將其未熔化的輔料301收回,露出渣殼并將其清除,以便于下一道的電熔沉積(堆積);隨后啟動冷卻裝置或加熱裝置對電熔沉積金屬進(jìn)行冷卻或加熱,將其基體(第一層時是指基材201,其他層時是指前一層堆積金屬)的溫度控制在200~300℃;

(4)當(dāng)基材201轉(zhuǎn)動一圈完成第一道電熔沉積時,在控制裝置的控制下,所有電熔頭601同時往左直線移動3/4熔道寬度距離,同時調(diào)整各電熔頭601與基材201的表面之間的距離,以保證電熔的穩(wěn)定性,之后開始第一層第二道的電熔沉積成形,此過程中要保證其左右圈道間搭接良好;

(5)當(dāng)?shù)诙劳瓿珊?,重?fù)步驟(4)再完成其它的電熔沉積道的成形,當(dāng)達(dá)到最后一道時,其相鄰電熔頭601的最后一道結(jié)束點與第一道起點要搭接良好,以至完成第一層的電熔沉積;

(6)當(dāng)完成第一層的電熔沉積后,所有電熔頭601自動提升一層沉積厚度(即層后)之高度,第一層電熔頭601的結(jié)束點即為第二層第一道的開始點,重復(fù)(1)-(4)的操作完成第二層的堆積;

(7)重復(fù)(6)的操作沿CAD切片軌跡完成需要層數(shù)堆積,使工件初步成為一個軸體;

(8)對圖示工件形狀(軸體上的突起),中央控制裝置按照CAD切片軌跡,確定后續(xù)參與堆積電熔頭,并控制各電熔頭601重新排布和定位;

(9)按照轉(zhuǎn)子構(gòu)件的CAD切片軌跡操作,并適時控制特定電熔頭工作與停止,對工作電熔頭按照(1)至步驟(7),完成其它電熔沉積層,最終連續(xù)電熔沉積形成整個轉(zhuǎn)子鋼構(gòu)件。

電熔成形后,機(jī)加工去除基材201即獲得所需低壓轉(zhuǎn)子材料。

本實施例中,所述轉(zhuǎn)子的材料為30Cr2Ni4MoV材料,電熔制備所用金屬原料絲材C含量0.15-0.25%,電熔制得的材料C含量0.10-0.18%,晶粒度7-10級。

采用本實施例,由于是多個(21個)電熔頭601并排排布成形,因而,能夠提高成形效率。

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