[发明专利]一种提高核电690合金管表面性能的激光合金化处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高核电690合金管表面性能的激光合金化(Laser Surface Alloying,LSA)方法,属于激光材料加工领域。

背景技术

在反应堆核动力装置中，蒸汽发生器传热管承担着一、二回路的能量交换和保证一回路压力边界完整性的重要功能，传热管的可靠性直接影响到核动力装置的技术性能和安全性。传热管在蒸汽发生器特定的结构和介质条件下，由于介质与应力联合作用造成各种类型的腐蚀损伤和应力腐蚀破裂。由于高温高压水流动和能量转换的存在而引起振动，导致传热管与支撑板之间发生微动磨损。

曾经用作PWR蒸汽发生器传热管的材料主要包括：304、316奥氏体不锈钢、Inconel 600MA、Inconel 600TT、Incoloy 800Mod、Inconel 690TT。Inconel690合金是针对Inconel 600合金晶界贫Cr问题而开发的，其主要成分为62Ni-28Cr-10Fe的奥氏体型镍基超合金，兼具耐腐蚀性和耐热性，性能优异而成分并不复杂，广泛使用在核电站蒸汽发生器传热管上。由于铬含量较高，Inconel690合金一般在酸溶液中有较好的耐腐蚀性，但是当溶液的温度和浓度较高时，耐腐蚀性很差。另外，它的耐磨性并不理想。

激光表面技术做为一种重要的表面工艺之一，因激光热源的特殊性，其工艺技术有许多独特的优势。本发明通过激光扫描Inconel690合金传热管表面，同时在熔凝区吹入NiCrTiNbTa粉和保护气(N₂+Ar混合气体)，进行表面合金化，提高晶界Cr含量并改善传热管表面组织结构，提高传热管在高温高压水以及复杂介质环境下的抗腐蚀性能和耐磨性能。

发明内容

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

1、一种提高核电690合金管表面性能的激光合金化处理方法，其特征在于：采用波长为800-1070nm连续激光热源对690合金传热管外圆表面进行熔凝合金化处理，激光功率300-1000W，激光扫描线速度为200-600mm/min，光斑直径1-4mm，搭接率20-60％，激光熔凝690合金管外圆表面的同时以4-4.5g/min的速率向熔池喷入100-140目的NiCrTiNbTa粉末，粉末中Ni含量为5-10wt％、Ti含量为0.5-5wt％、Nb含量为0.5-5wt％、Ta含量为0.5-3wt％其余为Cr，送粉气体为0.5-1MPa的N₂+Ar混合气体，混合气体的比例为N₂:Ar为60％-80％，送粉喷嘴到传热管表面的距离为5-12mm，传热管外侧靠近送粉管套有氮化管以便用于N₂保护熔凝区，氮化管开口用于激光照射，氮化管中氮气通入流量为20-30L/min，690传热管内孔氩气进行保护内管表面和冷却管壁；激光合金化处理后在真空炉中以6-10℃/min的升温速率加热到710-720℃保温2-10h，然后随炉冷却到室温进行去应力热处理。

进一步，氮化管其长度a为30-50mm、内径b为Φ21～24mm、开口长度c为4-8mm、开口宽度d为3-6mm。

本发明能获得厚度为100-800μm致密合金化层,硬度提高到HV500-800。

本发明的有益效果是：用本发明方法可对较细长的压水堆核电站蒸汽发生器传热管进行表面强化处理，且得到的激光合金化层结构致密、组织均匀，其应力腐蚀抗性和耐磨性显著提高，而采用短波长激光进行合金化，光可以更有效的被基体和合金化粉末吸收，提高合金化效率，同时设备的小型化、集成化也有利于在现场进行加工，可以在易发生破坏的部位进行局部加工，提高效率、节省成本。

附图说明

图1是激光表面合金化示意图

1、690传热管外壁2、机床转台3、氮化装置(氮气喷嘴、氮化管、支架)4、激光系统5、合金化喷嘴6、氩气喷嘴(与传热管内壁密封接合)7、合金化层8、传热管内壁9、熔凝区10、热影响区

图2是氮化管三视图

图3是激光表面合金化后续热处理图

图4不同载荷下的磨痕深度图

具体实施方式

该工艺包括具体如下步骤：

1.Inconel690合金传热管表面预先采用酒精清洗，除去表面杂质。

2.将传热管固定在机床转台上，将NiCrTiNbTa粉末倒入送粉器，然后把纯氩气瓶和纯氮气瓶连接到送粉器，作为送粉气体，调整送粉气体流量、喷嘴及送粉器，使其喷出的粉末束对准传热管合金化区域，在氮化管接口通入纯氮气。