核电燃料组件管座激光增材成型制造方法与流程

本发明属于核电燃料元件制造技术领域，具体涉及到一种压水堆核电燃料组件管座的激光增材成型制造方法。

背景技术：

管座是压水堆核电燃料组件的重要部件之一，传统工艺有2种，一采用轧制块体坯料，直接进行机械加工制备，二采用精密铸造的方法进行分体成型，然后再进行加工，两种加工方法的工序繁杂，难度较大。同时传统加工工艺还存在原材料利用率低，工艺开发周期长等问题。

采用激光增材成型技术进行管座的制备，可以解决传统加工工艺工序复杂和材料收率低的问题，在制备过程中实现管座一体成型，简化了制备工艺，保证了零件的完整性，提高了制备效率，而且其原材料利用率可达99％以上。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种核电燃料组件管座激光增材成型制造方法，其通过激光增材制造方法，快速制备压水堆核电燃料组件管座，实现管座的一体成型。

实现本发明目的的技术方案：一种核电燃料组件管座激光增材成型制造方法，该方法包括如下步骤：

步骤1)将管座图纸进行三维模型设计，设计成三维实体模型；

步骤2)对步骤1)所得模型的悬空位置进行加支撑处理；

步骤3)将步骤2)所得模型按照一定的厚度进行分层切片；设计每层切片内零件的激光功率、激光扫描速度及激光扫描间距参数；

步骤4)将步骤3)所得参数数据导入激光选区熔化成型设备中，进行基材调平、洗气操作，开始制备零件，按照步骤3)的参数在基材表面分层铺一定厚度的球形粉末，进行激光烧结；

步骤5)在步骤4)制备零件完成后，对零件进行热处理，去除零件内部应力；

步骤6)采用线切割进行零件与基材分离。

如上所述的一种核电燃料组件管座激光增材成型制造方法，其所述步骤3)中，分层厚度为0.04mm～0.06mm。

如上所述的一种核电燃料组件管座激光增材成型制造方法，其所述步骤3)中，激光功率为220W～260W、激光扫描速度900mm/s～1100mm/s及激光扫描间距0.11mm～0.15mm。

如上所述的一种核电燃料组件管座激光增材成型制造方法，其所述步骤4)中，采用的球形粉末为304L不锈钢球形粉末，粒度20～60μm。

如上所述的一种核电燃料组件管座激光增材成型制造方法，其所述步骤4)中，基材采用304L不锈钢。

如上所述的一种核电燃料组件管座激光增材成型制造方法，其所述步骤4)中，洗气操作是将成型室内氧含量调至1000ppm以下。

如上所述的一种核电燃料组件管座激光增材成型制造方法，其所述步骤4)中，基材调平是指，保证铺粉刮刀与成型基材之间相对平行。

如上所述的一种核电燃料组件管座激光增材成型制造方法，其所述步骤5)中，热处理保温温度为1050℃～1200℃，升温速率≤10℃/min，保护气氛为氩气。

如上所述的一种核电燃料组件管座激光增材成型制造方法，其所述步骤2)中，悬空位置是指管座自下而上逐层成型过程中，部分位置在前一层截面与后一层截面之间不相重合尺寸大于2mm的区域。

如上所述的一种核电燃料组件管座激光增材成型制造方法，其所述步骤1)中，三维模型设计采用软件为Pro/E、UG、或Solidwork。

本发明的效果在于：本发明通过激光增材制造方法，快速制备压水堆核电燃料组件管座，实现管座的一体成型。本发明制得的管座，其制造周期为≤120h，其抗拉强度比传统工艺制备管座高30％以上，材料利用率大于99.0％。

附图说明

图1为激光增材成型制造的管座实物照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种核电燃料组件管座激光增材成型制造方法作进一步描述。

实施例1

本发明所述的一种核电燃料组件管座激光增材成型制造方法，其包括如下步骤：

步骤1)将管座图纸进行三维模型设计，设计成三维实体模型；三维模型设计采用软件为Pro/E。

步骤2)对步骤1)所得模型的悬空位置进行45°实体支撑处理；悬空位置是指管座自下而上逐层成型过程中，部分位置在前一层截面与后一层截面之间不相重合尺寸大于2mm的区域。

步骤3)将步骤2)所得模型按照一定的厚度进行分层切片；设计每层切片内零件的激光功率、激光扫描速度及激光扫描间距参数；其中，分层厚度为0.05mm，激光功率为255W、激光扫描速度960mm/s及激光扫描间距0.11mm。

步骤4)将步骤3)所得参数数据导入激光选区熔化成型设备中；

首先进行基材调平，保证铺粉刮刀与成型基材之间相对平行，直至铺粉刮刀与基材之间间隙为≤0.05mm，然后进行洗气操作，采用氩气对成型室内进行洗气，当成型室内氧含量为≤1000ppm时，开启设备进行零件制备；按照步骤3)的参数在基材表面分层铺一定厚度的球形粉末，进行激光烧结；基材采用304L不锈钢、球形粉末采用304L不锈钢球形粉末，粒度40～50μm。

步骤5)在步骤4)制备零件完成后，对零件进行热处理，去除零件内部应力；以10℃/min的升温速率升温至1100℃，保温1h，然后关闭加热随炉冷却，炉内保护气氛为氩气。

步骤6)采用线切割进行零件与基材分离。

测试通过上述工艺方法制备的管座，如图1所示，其制造周期为108h，尺寸精度满足管座使用要求，其抗拉强度为676MPa，材料利用率为99.1％。

实施例2

本发明所述的一种核电燃料组件管座激光增材成型制造方法，其包括如下步骤：

步骤1)将管座图纸进行三维模型设计，设计成三维实体模型；三维模型设计采用软件为UG。

步骤2)对步骤1)所得模型的悬空位置进行加支撑处理；悬空位置是指管座自下而上逐层成型过程中，部分位置在前一层截面与后一层截面之间不相重合尺寸大于2mm的区域。

步骤3)将步骤2)所得模型按照一定的厚度进行分层切片；设计每层切片内零件的激光功率、激光扫描速度及激光扫描间距参数；分层厚度为0.04mmmm，激光功率为220W、激光扫描速度900mm/s及激光扫描间距0.11mm。

步骤4)将步骤3)所得参数数据导入激光选区熔化成型设备中，进行基材调平、洗气操作；开始制备零件，按照步骤3)的参数在基材表面分层铺一定厚度的球形粉末，进行激光烧结；

基材调平是指，保证铺粉刮刀与成型基材之间相对平行。

洗气操作是将成型室内氧含量调至1000ppm以下。

基材采用304L不锈钢、球形粉末采用304L不锈钢球形粉末，粒度20～30μm。

步骤5)在步骤4)制备零件完成后，对零件进行热处理，去除零件内部应力；热处理保温温度为1050℃，升温速率≤10℃/min，保温2h，保护气氛为氩气。

步骤6)采用线切割进行零件与基材分离。

实施例3

本发明所述的一种核电燃料组件管座激光增材成型制造方法，其包括如下步骤：

步骤1)将管座图纸进行三维模型设计，设计成三维实体模型；三维模型设计采用软件为Solidwork。

步骤2)对步骤1)所得模型的悬空位置进行加支撑处理；悬空位置是指管座自下而上逐层成型过程中，部分位置在前一层截面与后一层截面之间不相重合尺寸大于2mm的区域。

步骤3)将步骤2)所得模型按照一定的厚度进行分层切片；设计每层切片内零件的激光功率、激光扫描速度及激光扫描间距参数；分层厚度为0.06mm，激光功率为260W、激光扫描速度1100mm/s及激光扫描间距0.15mm。

步骤4)将步骤3)所得参数数据导入激光选区熔化成型设备中，进行基材调平、洗气操作；开始制备零件，按照步骤3)的参数在基材表面分层铺一定厚度的球形粉末，进行激光烧结；

基材调平是指，保证铺粉刮刀与成型基材之间相对平行。

洗气操作是将成型室内氧含量调至1000ppm以下。

基材采用304L不锈钢、球形粉末采用304L不锈钢球形粉末，粒度50～60μm。

步骤5)在步骤4)制备零件完成后，对零件进行热处理，去除零件内部应力；热处理保温温度为1200℃，升温速率≤10℃/min，保温0.5h，保护气氛为氩气。

步骤6)采用线切割进行零件与基材分离。

实施例4

本发明所述的一种核电燃料组件管座激光增材成型制造方法，其包括如下步骤：

步骤1)将管座图纸进行三维模型设计，设计成三维实体模型；三维模型设计采用软件为Pro/E。

步骤2)对步骤1)所得模型的悬空位置进行45°实体支撑处理；悬空位置是指管座自下而上逐层成型过程中，部分位置在前一层截面与后一层截面之间不相重合尺寸大于2mm的区域。

步骤3)将步骤2)所得模型按照一定的厚度进行分层切片；设计每层切片内零件的激光功率、激光扫描速度及激光扫描间距参数；其中，分层厚度为0.05mm，激光功率为250W、激光扫描速度1000mm/s及激光扫描间距0.12mm。

步骤4)将步骤3)所得参数数据导入激光选区熔化成型设备中；

首先进行基材调平，保证铺粉刮刀与成型基材之间相对平行，直至铺粉刮刀与基材之间间隙为≤0.05mm，然后进行洗气操作，采用氩气对成型室内进行洗气，当成型室内氧含量为≤1000ppm时，开启设备进行零件制备；基材采用304L不锈钢、球形粉末采用304L不锈钢球形粉末，粒度20～60μm。

步骤5)在步骤4)制备零件完成后，对零件进行热处理，去除零件内部应力；以8℃/min的升温速率升温至1200℃，保温1h，然后关闭加热随炉冷却，炉内保护气氛为氩气。

步骤6)采用线切割进行零件与基材分离。

测试通过上述工艺方法制备的管座，尺寸精度满足管座使用要求，材料利用率为99％。

上面对本发明的实施例作了详细说明，上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。