一種提高核電690合金應力腐蝕抗性和耐磨性的激光處理方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種提高核電690合金應力腐蝕抗性和耐磨性的激光處理方法。采用波長為800-1070nm連續(xù)激光熱源熔凝處理690合金傳熱管外圓表面的同時輔助氮氣進行滲氮處理，激光功率300-1000W，激光掃描線速度為200-800mm/min，光斑直徑0.5-3mm，搭接率20-60％，激光熔凝690合金管外圓表面的同時輔助氮氣進行滲氮處理，氮氣流量為20-30L/min，氮氣噴嘴到傳熱管表面的距離為5-12mm，噴嘴出口氮氣壓強為0.5-1MPa,690傳熱管內(nèi)孔輔助流量為20-30L/min的氬氣進行保護內(nèi)孔表面和冷卻管壁。它采用激光熔凝同時向熔凝區(qū)通氮氣的方法在690合金傳熱管表面進行滲氮處理，獲得20-100μm厚的致密滲氮層，從而提高應力腐蝕抗性和耐磨性。
【專利說明】一種提高核電690合金應力腐蝕抗性和耐磨性的激光處理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高核電690合金應力腐蝕抗性和耐磨性的激光處理方法，屬于激光材料加工領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]相對于傳統(tǒng)的火電、水電等能源系統(tǒng)，核電作為一種安全、清潔、經(jīng)濟的新型能源，對人類的能源供給起著不可代替的作用。壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管的面積占一回路承壓邊界面積的80%左右，傳熱管壁厚一般為1mm~1.2mm,是整個一回路壓力邊界中最薄弱的部分，國外運行經(jīng)驗表明，大約30%~40%的壓水堆因為蒸汽發(fā)生器傳熱管損傷而影響正常運行、降低功率運行或被迫停堆。傳熱管的破損是由各類腐蝕造成的，包括點蝕(Pitting)、晶間腐蝕(IGA)和晶間應力腐蝕(IGSCC)，其中，60%的問題屬應力腐蝕問題。同時壓水堆核電站正常工作時，由于流致振動導致的傳熱管與襯板發(fā)生微動磨損，也增加了傳熱管腐蝕開裂的傾向。
[0003]Inconel690合金是高Cr鎳基合金，主要用于腐蝕性水介質(zhì)和高溫空氣介質(zhì)環(huán)境，而且具有高強度、好的冶煉穩(wěn)定性和良好的制造特性，廣泛使用在核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管上。但到目前為止，最早的采用690TT作為傳熱管材的蒸汽發(fā)生器運行也只有不到30年的歷史，并且在國外也已經(jīng)有少量這種材質(zhì)的傳熱管出現(xiàn)應力腐蝕開裂問題以及微動磨損問題。因此解決蒸汽發(fā)生器破管事故是關(guān)系到核電站的安全性及使核電站具有競爭性和生命力的關(guān)鍵問題。
[0004]在對已有專利的檢索中，發(fā)現(xiàn)了名為“一種提高Inconel690合金傳熱管抗應力腐蝕能力的方法”的發(fā)明專利(專利號101974773A，以下稱“對比專利”)，該發(fā)明采用電鍍鉻加激光輻照的方法進行表面改性。但該專利采用的電鍍鉻工藝，其鍍鉻層容易脫落，且電鍍過程中容易對環(huán)境造成污染，而且電鍍鉻與激光加工的分離也增加了運輸成本，不利于現(xiàn)場處理。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了解決傳熱管應力腐蝕開裂以及微動磨損問題，提供一種提高核電690合金傳熱管應力腐蝕抗性和耐磨性的方法，它可使傳熱管抵抗應力腐蝕的能力和耐磨性能得到大幅提聞。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007] —種提高核電690合金應力腐蝕抗性和耐磨性的激光處理方法，其特征在于采用波長為800-1070nm連續(xù)激光熱源熔凝處理690合金傳熱管外圓表面的同時輔助氮氣進行滲氮處理，，激光功率300-1000W，激光掃描線速度為200-800mm/min，光斑直徑0.5_3mm，搭接率20-60%，激光熔凝690合金管外圓表面的同時輔助氮氣進行滲氮處理，氮氣流量為20-30L/min，氮氣噴嘴到傳熱管表面的距離為5_12mm，噴嘴出口氮氣壓強為0.5-lMPa, 690傳熱管內(nèi)孔輔助流量為20-30L/min的氬氣進行保護內(nèi)孔表面和冷卻管壁。
[0008]獲得厚度為20-100 μ m致密滲氮層，硬度提高到HV200-400。
[0009]該工藝包括具體如下步驟:
[0010]1.1nconel690合金傳熱管表面預先采用酒精清洗，除去表面雜質(zhì)。
[0011]2.將傳熱管固定在機床轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的同時對690合金傳熱管表面進行激光熔凝，并用噴嘴向熔凝區(qū)通高純氮氣進行滲氮處理。
[0012]3.滲氮處理同時傳熱管內(nèi)配以純氬氣進行保護，防止熱影響區(qū)合金發(fā)生氧化。
[0013]激光熔凝滲氮(LaserMelting and Nitriding, LMN)參數(shù)如下:
[0014]激光器為半導體或光纖激光器，激光波長800-1070nm
[0015]激光功率3OO-1OOOW
[0016]激光掃描速度200-800mm/min
[0017]光斑直徑0.5-3mm
[0018]搭接率20-60%
[0019]噴嘴處氮氣壓強0.5-lMPa
[0020]氮氣流量為20_30L/min
[0021]気氣流量為20_30L/min
[0022]氮氣噴嘴到傳熱管表面的距離為5_12mm
[0023]本發(fā)明的有益效果是:用本發(fā)明方法可對較細長的壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管進行表面處理，且得到的激光滲氮層結(jié)構(gòu)致密、組織均勻，其應力腐蝕抗性和耐磨性顯著提高，而采用短波長激光滲氮，光可以更有效的被基體吸收，提高滲氮效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是激光熔凝滲氮示意圖
[0025]1、690傳熱管外表面；2、機床轉(zhuǎn)臺；3、激光系統(tǒng)；4、滲氮噴嘴；5、気氣噴嘴(與傳熱管內(nèi)壁密封接合)；6、氮化層；7、傳熱管內(nèi)壁；8、熔凝區(qū)；9、熱影響區(qū)
[0026]圖2不同載荷下的磨痕深度圖

【具體實施方式】
[0027]實施例1:
[0028]所述激光熔凝滲氮過程為:選取Inconel690合金傳熱管(外徑為19mm,壁厚為
1.2mm,長300mm),傳熱管外表面I采用酒精清洗以除去表面雜質(zhì)，并將傳熱管固定在機床轉(zhuǎn)臺2上，設置轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速，使690合金傳熱管外圓的旋轉(zhuǎn)線速度達到200mm/min，同時采用波長為1070nm的光纖激光器進行表面處理，激光熱源3對690合金傳熱管表面進行熔凝，激光輸出功率為300W，聚焦后的光斑直徑為0.5mm，掃描搭接率為20%，固定在激光系統(tǒng)外圍的滲氮噴嘴4向激光輻照區(qū)以20L/min的流量送入出口壓力為0.5MPa的高純氮氣(99.995% )，滲氮噴嘴距離傳熱管表面的距離為12mm，同時由連接傳熱管內(nèi)壁的氬氣噴嘴5向傳熱管內(nèi)以20L/min通入純氬氣(99.95% )進行保護、冷卻，防止傳熱管發(fā)生氧化。
[0029]截取部分試樣，用顯微鏡觀察測得熔凝滲氮層6的平均厚度約為20 μ m，測得外表面硬度為HV200。
[0030]截取42mm滲氮管制成拉伸試樣，進行應力腐蝕拉伸試驗，試驗應變速率為I X 1-fV1,試驗介質(zhì)50% Na0H+0.3% Si02+0.3% Na2S2O3(質(zhì)量分數(shù)組成)溶液。試驗結(jié)果如下表:
[0031]

【權(quán)利要求】
1.一種提高核電690合金應力腐蝕抗性和耐磨性的激光處理方法，其特征在于采用波長為800-1070nm連續(xù)激光熱源熔凝處理690合金傳熱管外圓表面的同時輔助氮氣進行滲氮處理，激光功率300-1000W，激光掃描線速度為200-800mm/min，光斑直徑0.5_3mm，搭接率20-60 %，激光熔凝690合金管外圓表面的同時輔助氮氣進行滲氮處理，氮氣流量為20-30L/min，氮氣噴嘴到傳熱管表面的距離為5_12mm，噴嘴出口氮氣壓強為0.5-lMPa, 690傳熱管內(nèi)孔輔助流量為2 0-30L/min的氬氣進行保護內(nèi)孔表面和冷卻管壁。
【文檔編號】C23F17/00GK104164539SQ201410361414
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月27日
【發(fā)明者】楊膠溪, 李子陽, 文強, 肖志勇 申請人:北京工業(yè)大學