核電站壓力容器筒體電熔成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種核電站壓力容器筒體電熔成形方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為核電站核島中的心臟設(shè)備，反應(yīng)堆壓力容器主要用來盛裝反應(yīng)堆堆芯，使高溫高壓的冷卻劑保持在一個密封的殼體內(nèi)，同時起輻射屏蔽作用，強烈的中子輻照使材料性能不斷被惡化。因此嚴(yán)苛的工況環(huán)境，不斷提高的核電安全極致要求和容器本身作為核島部分不可更換的一個隨發(fā)電功率增大而不斷龐大的部件，對核電壓力容器材料的要求非常嚴(yán)格，并越來越高。
[0003]目前壓力容器材料選用Mn-Mo-Ni低合金高強度鋼(ASME標(biāo)準(zhǔn)SA508Gr3Cl 1，RCC-M標(biāo)準(zhǔn)16MnD5，中國對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)20MnMoNi)，通過鍛造和后續(xù)熱處理工藝制成。典型材料在鍛造基礎(chǔ)上經(jīng)受淬火回火熱處理(一般中間還要經(jīng)受一次甚至以上的正火回火熱處理，用以擴散殘氫，細(xì)化晶粒，為最終熱處理作準(zhǔn)備)，獲取強度和韌性綜合性能優(yōu)越的回火馬氏體材料組織。
[0004]盡管此方法在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，但囿于我國鍛造企業(yè)現(xiàn)實制造水平，特殊材料部件制造仍有很大的困難，以典型三代核電AP1000壓力容器為例，一體化頂蓋封頭材料生產(chǎn)報廢比比皆是，成功率極低.并且因為鋼錠冶煉和鍛造工藝技術(shù)限制，容器筒體以及特殊部件均通過分段鍛造并后續(xù)將材料組焊而成.顯然焊縫的增加割裂了機械纖維的連續(xù)性，極大的影響了材料的力學(xué)性能.且成形效率低，制造周期長，增加了成本。
[0005]而又因壓力容器厚大的截面尺寸，熱處理時，芯部與表面在加熱和冷卻過程中經(jīng)受不同的熱處理速度，容易出現(xiàn)應(yīng)力開裂，宏觀材料相組織不均勻，很難獲取良好的全截面性質(zhì).另外從該工藝最終的晶粒測度結(jié)果看，壓力容器材料一般只在5-7級左右，對目前研發(fā)生產(chǎn)中所希望的通過細(xì)化晶粒提高力學(xué)性能尤其是強度和韌性綜合性能的目的，該工藝有很大的瓶頸。
[0006]因此，如何能夠研發(fā)出壓力容器所需的細(xì)晶粒、均組織，且綜合力學(xué)性能良好的材料和整體成形方法是該類新材料研發(fā)需攻克的難點和重要發(fā)展方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]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)性能的核電站壓力容器筒體電熔成形方法。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的核電站壓力容器筒體電熔成形方法是采用電弧熱、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金屬構(gòu)件；
[0009]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，最終成形核電站壓力容器筒體。
[0010]在本發(fā)明中，根據(jù)不同核電機組要求，成形的壓力容器筒體直徑3-6米，長度2-12米。
[0011]在本發(fā)明中，成形所用原料絲材是為壓力容器構(gòu)件而特殊制備的低合金鋼材料，原料絲材直徑2-10mm，C含量0.08-0.12%，成形后工件C含量0.04-0.08%，工件晶粒度9-10 級。
[0012]在本發(fā)明中，電源參數(shù)中的電流為200A?3000A，電壓為20V?60V，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。
[0013]在本發(fā)明中，控制基材或堆積金屬預(yù)熱與層間溫度為120?450°C，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。
[0014]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，保證了成形金屬構(gòu)件的整體性能。
[0015]在本發(fā)明中，單個電熔頭對原料絲材熔化效率為20?50Kg/h，另外為提高堆積效率實現(xiàn)快速成形，電熔頭的數(shù)量可以按需要調(diào)整為I?100個，當(dāng)多電熔頭排布時，相鄰電恪頭間距為50?500mm。
[0016]在本發(fā)明中，所述基材可以為圓筒狀或圓柱狀，壁厚不小于5mm。(其軸線)水平配置，通過控制基材的轉(zhuǎn)動以及電熔頭在基材軸向和徑向上的相對移動實現(xiàn)逐層堆積?；目梢允?08不銹鋼材料或者是碳鋼或合金鋼材料，當(dāng)為308不銹鋼材料時，可作為異種材料連接合成工件，為碳鋼或合金鋼材料時可在后續(xù)機加工中去除。
[0017]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；所成形工件具有媲美傳統(tǒng)鍛造工藝的力學(xué)和化學(xué)性能，強度、韌性、耐蝕等性能均十分突出；同時實現(xiàn)了壓力容器筒體的整體成形，突破了傳統(tǒng)鍛造工藝技術(shù)的局限，大大提高了效率，節(jié)省了成本。
【附圖說明】
[0018]圖1A為用于說明【具體實施方式】中的電熔成形方法的示意圖；
[0019]圖1B為圖1A中A所示位置附近的局部放大圖；
[0020]圖2為用于說明實施例中的壓力容器筒體成形方法的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]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示意圖；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)系等不受圖示限制。
[0022]該成形方法是將原料絲材I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。
[0023]具體實施工序為:
[0024]A.送絲機構(gòu)5將原料絲材I送至放置于工作臺21上的基材2的表面，其上覆蓋由送粉機構(gòu)4輸送的顆粒狀輔料。
[0025]B.啟動電源12，電源電壓使原料絲材I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I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。
[0026]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。
[0027]D.送絲機構(gòu)5與送粉機構(gòu)4持續(xù)輸送原料絲材I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I逐層堆積在基材2上，最終成形工件。
[0028]其中，控制裝置(計算機)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。
[0029]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。
[0030]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)。
[0031]在本發(fā)明中，原料絲I的形態(tài)可以是圓棒狀、帶狀，實芯或者藥芯的；原料絲I的直徑可以根據(jù)成形工件的尺寸設(shè)定為2?1mm;根據(jù)絲材I直徑不同，伸出電熔頭的長度(通電長度)為20mm?150mm。
[0032]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)以機械方式保護(hù)沉積金屬10良好成形等。
[0033]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。
[0034]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I的相對移動后方400mm?500mm處開始機器去除或人工去