CN113329843A - 使用激光金属粉末沉积的修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种激光金属粉末沉积方法，所述激光金属粉末沉积方法可用于修复在核环境中使用的铸造不锈钢部件。在日常维护和翻修期间在部件(200)中发现的内部缺陷被识别，并且随后被挖掘以形成腔(210)。所述腔由激光金属粉末沉积的多层(310₁、310₂、...、310_N)填充，并且随后检查其完整性。

Description

使用激光金属粉末沉积的修复方法

技术领域

本公开涉及一种使用激光金属粉末沉积的修复方法，并且更具体地但非排他地涉及修复核铸造不锈钢铸造部件。

背景技术

基于激光的技术，诸如激光熔覆和激光金属沉积，已成为用于成本密集型部件的零件修复和表面改性的既定技术。由于激光源、方法技术和策略的持续改进，激光沉积工艺的应用范围不断增加。

US-B-7169242公开了一种用于从具有定向微观结构的制品去除铸造缺陷的方法。该方法包括通过热源将所识别的铸造缺陷局部熔化到与铸造缺陷本身至少一样深的深度，以及相对于基本上没有铸造缺陷的制品的周围定向微观结构外延地固化熔融的材料。在该方法中，材料本身用于在重新固化时填充铸造缺陷。

US-A-2016/0243650公开了一种返工由非熔合可焊接基体合金制造的部件以去除铸造缺陷的方法。该方法包括在部件中在铸造缺陷的位置处形成腔，以及用多个层至少部分地填充该腔，每个层包括多个激光粉末沉积点。该多个激光粉末沉积点中的每个激光粉末沉积点由填充合金形成。

使用非破坏性测试技术定期检查核铸造不锈钢部件，并且在常规检查期间经常检测到内部和/或表面缺陷。目前，由于部件的复杂几何形状以及与核铸造不锈钢部件相关联的相关联的严格制造公差，不可能使用常规焊接工艺来修复此类内部和/或表面缺陷。结果是，代替由于内部和/或表面缺陷而修复部件，更换整个部件是唯一选项。这种报废或废弃的部件随后形成二级放射性废物的来源。

因此，需要能够修复核铸造不锈钢部件中的内部和/或表面缺陷，使得在大多数情况下不再需要更换。

发明内容

本公开的目的是通过修复核环境中的部件而不是报废它们来减少二级放射性废物。

本公开的另一个目的是提供一种修复适合在核环境中使用的铸造不锈钢部件的方法。

根据本公开的一个方面，提供了一种修复铸造不锈钢部件的方法，所述方法包括以下步骤：

a)识别所述铸造不锈钢部件中的至少一个缺陷的存在；

b)挖掘所述铸造不锈钢部件中的包括所述至少一个所识别的缺陷的区域以形成腔；

c)以预定图案在所述腔内沉积激光金属粉末；

d)使用激光熔化并熔合所述腔内的所述沉积的激光金属粉末；以及

e)对所述填充腔的表面进行修整以与所述铸造不锈钢部件的表面匹配。

通过使用激光金属粉末沉积方法来填充挖掘腔，小心地控制部件中的应变和应力，这使得被修复部件中的变形和扭曲最小化。

在一个实施方案中，该方法还包括在步骤c)之前清洁腔的步骤。

这确保了在填充之前去除腔内的任何松散材料，使得在激光金属粉末沉积过程期间不产生进一步的缺陷。

在一个实施方案中，步骤c)和d)重复超过一次。

步骤c)和d)的每次重复在腔内构建层。这确保挖掘腔被完全填充。

在一个实施方案中，步骤b)可包括使用非破坏性测试来控制对包括缺陷的区域的挖掘。

通过以这种方式使用非破坏性测试，提供了准确的控制以确保缺陷被包括在挖坑中并且从该区域挖出不超过必要的材料。

在一个实施方案中，步骤e)包括机械修整步骤。

通过机械修整，在挖掘区域中的部件表面可容易地恢复到几乎其挖掘前的初始状态。

在一个实施方案中，进一步的步骤可包括检查修复与铸造不锈钢部件的其余部分是否相符的步骤。

在完整性和尺寸公差很重要的核环境中，这一点非常重要。

附图说明

为了更好地理解本公开，现在将通过示例的方式参考附图，其中：-

图1示出了用于核铸造不锈钢部件的修复方法的流程图；

图2是已挖掘以去除缺陷的部件的一部分的示意图；

图3是示出待修复部件中的挖坑的截面侧视图；

图4是图3的挖坑的俯视图；

图5类似于图3，但示出了挖坑中的激光金属粉末沉积道次；并且

图6类似于图4，但示出了挖坑中的激光金属粉末沉积道次。

具体实施方式

将关于特定实施方案并参考某些附图来描述本公开，但本公开不限于此。所描述的附图仅为示意性的而非限制性的。在附图中，出于说明性目的，一些元件的大小可能被放大并且未按比例绘制。

非破坏性测试(NDT)技术用于检查核铸造不锈钢部件的完整性。NDT技术利用电磁辐射、声音和其他信号转换来检查各种制品或部件的完整性、组成或状况，而不改变制品或部件本身的状态。也可使用液体渗透测试。通过使用放大器、照相机或其他光学布置增强的视觉检查是NDT的最常见形式。然而，视觉检查限于被测试的制品或部件的表面或外部区域。使用穿透性辐射例如X射线、中子和γ辐射的射线照相测试可提供制品或部件的内部结构的体积检查。也可使用利用超声***的超声测试。例如，超声换能器发射用于对制品或部件进行体积检查的声波，并且对来自正被测试的制品或部件的反射声波的振幅变化等进行评估。由含铁材料制成的制品或部件也可通过向其施加铁颗粒并向制品或部件施加磁场以识别磁场中由于内部缺陷而引起的任何泄漏来进行测试。由于此类技术是广泛已知的，因此下文未给出进一步描述。

如本文所用，表述“激光金属粉末”是指用于三维印刷或快速成型的金属粉末，其中使用高功率密度激光将金属粉末熔化并熔合在一起。这种方法被称为“选择性激光熔化”(或更广泛地称为“选择性激光烧结”)，其中金属粉末的薄层均匀地分布到沿竖直轴线分度的基底板上。一旦已经分布了每一层，就通过在对后续层重复之前选择性地熔化金属粉末来熔合零件几何形状的每个二维切片。

可用于“选择性激光熔化”的典型不锈钢合金是17-4不锈钢(也称为UNS17400)，一种等级的含15％至17.5％铬和3％至5％镍的马氏体沉淀硬化不锈钢(其为磁性的)(有时称为15-5不锈钢)。合金中也可存在3％至5％的铜。此类不锈钢合金可被热处理至高强度和硬度水平，其特征在于与最常见的不锈钢(UNS S30400，也称为18-8不锈钢，具有18％至20％铬和8％至10.5％镍，其为奥氏体)相比具有更高的耐腐蚀性和机械加工性。

然而，取决于制造部件的材料，也可使用其他不锈钢合金，例如316L型(UNSS31603)奥氏体不锈钢。316L型含有2％至3％之间的钼，其增加耐腐蚀性并且在高温下提供增加的强度。

如本文所用，表述“激光金属粉末沉积”是指在基底上沉积至少一个激光金属粉末层，随后熔化并熔合该激光金属粉末层。通常，如下文更详细地描述，沉积多层以填充挖掘腔。

如本文所用，术语“缺陷”是指可能存在于铸造不锈钢部件中的内部缺陷和表面缺陷两者。

图1示出了用于检测和修复铸造不锈钢部件并且特别是用于核环境(例如反应堆冷却剂泵)中的铸造不锈钢部件中的内部缺陷的方法的流程图100。第一步，步骤110，包括部件的NDT以识别任何内部缺陷。此类内部缺陷可能是由于原始制造和/或后续修复而产生。此外，此类内部缺陷可能自最后的NDT检查以来就在部件内产生并且在后续NDT检查期间被定位。取决于部件的类型，可使用上述NDT技术中的几种。

在识别内部缺陷后，挖掘包括缺陷的区域，即步骤120，以形成腔。此类挖掘可通过机械加工或研磨来进行以去除不可接受的缺陷。通常，使用一组挖掘，例如几何组，其允许从部件的表面到达缺陷。挖掘通过NDT检查控制，以确保在挖掘过程中去除所有缺陷。

在一个实施方案中，如下文参考图2至图6所描述，几何组可包括一系列圆角长方形或拉长圆，即已沿直径被一分为二并且被拉长以包括在两个半部的不同大小的分割圆之间的矩形的圆。此类一系列圆角长方形或拉长圆可形成这样的场地，其中其基部具有最小尺寸并且其顶表面具有最大尺寸，从基部到顶表面的尺寸逐渐变化以形成分级壁或斜壁。典型的一个或多个场地可以是圆形或椭圆形(或如上所述的拉长圆)。

步骤130，清洁挖掘区域或腔，以确保在将多层激光金属粉末沉积物沉积(步骤140)到挖掘区域或腔中之前去除可能已进入挖掘区域或腔的任何异物。激光金属粉末沉积步骤以特定的路径或图案将如上所述的316L型不锈钢金属粉末沉积到挖掘区域或腔中，然后在中性气体环境中通过激光加热并熔化沉积的粉末以填充挖掘区域或腔。通常需要若干道次，以确保通过堆积多层而用填充材料即熔化的粉末完全补充挖掘区域或腔。在激光金属沉积期间使用视觉监测以确保腔被正确填充。

自然地，选择所使用的激光金属粉末以匹配制造原始铸造部件的材料。

一旦已通过沉积多层激光金属粉末填充挖掘区域或腔，就修整部件的表面，步骤150，使得其与部件的其余部分相符。修整步骤包括机械修整，例如抛光或研磨，以提供所需的表面要求。

完成后，使用NDT再次检查检测到原始缺陷的区域，即步骤160。这确保修复满足尺寸和几何控制的要求，以确保保持对特定部件的紧密公差。

然后，可针对制品或部件中的其他所识别的缺陷重复该方法。

图2示出了已制造出挖掘区域或腔210以去除缺陷的制品或部件200的一部分的平面图。在这种情况下，在部件的表面处的挖掘区域或腔210可被视为如上所述的细长圆。然而，其他合适的轮廓可用于挖掘区域或腔。

图3示出了制品或部件200的一部分的截面侧视图，其更详细地示出了挖掘区域或腔210。在这种情况下，挖掘区域或腔210具有基部部分220，其借助于斜壁或倾斜部分240延伸到表面部分230。

在图4中，部件200和挖掘区域或腔以平面图示出。如图所示，基部部分220也包括拉长圆，但其具有比形成表面部分230的拉长圆更小的尺寸，并且居中地位于表面部分230内并通过斜壁或倾斜部分240连接到其上。尽管在该实例中，基部部分220被示出为居中地位于表面部分230内，但并不一定要存在中心位置，并且在基部部分与表面部分之间可存在一些偏移。

图5类似于图3，但也示出了在基部部分220和斜壁或倾斜部分240直到表面部分230上的多个激光金属粉末沉积道次300₁、300₂、300₃、…、300_N，其中在该具体实例中N示出为4。自然地，N可以是任何合适的值，并且存在填充挖掘区域或腔210所需的多层道次。每个道次遵循类似于腔210的基部部分220的形状的路径，即，一起填充腔210的一系列圆角长方形或拉长圆中的一种。

图6类似于图4，但示出了在挖掘区域或腔210中的多个激光金属粉末沉积道次300₁、300₂、300₃、...、300_N。再次，N被示出为4，但可以是填充挖掘区域或腔210所需的任何合适的值。

当执行激光金属粉末沉积步骤或道次时，所需的最小激光速度为至少1000mm/分钟(或约16.5mm/s)。填充20mm长10mm宽5mm深的腔所花费的时间在1分钟与4分钟之间，其中需要额外的时间来准备填充、相对于正被修复的部件定位激光、编程激光以及建立执行激光金属粉末沉积的中性气体环境等。

可竖直地使用激光，即垂直于正被修复的部件的表面，但与激光金属粉末的注入方向结合的其他角度也是可能的。

可使用本公开的方法的一个实例是在核反应堆冷却剂泵(RCP)的翻修中。翻修过程包括净化、拆卸和检查，随后进行部件修复，或在必要时进行更换，然后重新组装。取决于检查结果，可发现一些部件具有需要通常使用焊接方法进行修复的缺陷。

然而，在核环境中，通过使用焊接方法修复部件产生的主要风险是正被修复部件的变形。由于在核环境中使用的部件的公差是紧密的，所以焊接可能导致由于焊接部位处的局部加热而具有局部变形的扭曲部件。此类局部变形可能导致不相容的变形。此类不相容变形的结果是，在没有进一步修改的情况下，部件不再有用并且经常被报废。另外，由于焊接方法往往需要大量的材料，因此焊接后机械加工是强制性的，以恢复被修复部件的可接受表面状态和尺寸大小。

用于修复RCP的部件的激光金属粉末沉积优于常规焊接修复，因为沉积参数可被仔细监测或控制以确保质量得到保持。由于存在有限的热影响区(HAZ)，因此在激光金属粉末沉积期间施加到部件的应变和应力明显小于在常规焊接工艺期间施加的应变和应力。此外，通过限制应变或应力，正被修复的部件不像在常规焊接工艺中那样变形。此外，激光金属粉末沉积之后所需的后机械加工量小于焊接之后所需的后机械加工量。通过使用激光金属粉末沉积来修复部件而不是将其废弃，减少了污染的废物。

由于能够修理核铸造不锈钢部件，因此部件的可用性增加，因为不再需要更换部件，从而避免了制造更换部件的长的交付时间。

由于部件被修复而不是被废弃，因此显著减少了二级放射性废物。此外，备件管理得到改进。

可使用本公开的方法修复的用于核环境中的其他部件包括但不限于扩散器、阀和轴。

Claims (7)

1.一种修复铸造不锈钢部件的方法，所述方法包括以下步骤：

a)识别所述铸造不锈钢部件中的至少一个缺陷的存在；

b)挖掘所述铸造不锈钢部件中的包括所述至少一个所识别的缺陷的区域以形成腔；

c)以预定图案在所述腔内沉积激光金属粉末；

d)使用激光熔化并熔合所述腔内的所述沉积粉末；以及

e)对所述填充腔的表面进行修整以与所述铸造不锈钢部件的表面匹配。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括在步骤c)之前清洁所述腔的步骤。

3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括重复步骤c)和d)超过一次。

4.根据权利要求3所述的方法，其中步骤c)和d)的每次重复在所述腔内构建金属层。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中步骤b)包括使用非破坏性测试来控制对包括所述缺陷的所述区域的挖掘。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中步骤e)包括机械修整步骤。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的方法，还包括检查所述修复与所述铸造不锈钢部件中的其余部分是否相符的步骤。

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