阅读说明：本技术 一种提高核主泵惰转飞轮结构完整性的加工方法 (Machining method for improving structural integrity of idling flywheel of nuclear main pump ) 是由 潘学民 雷明凯 李梦启 蔡龙 朱宝 王桂芹 朱小鹏 李昱鹏 李玉阁 于 2020-06-16 设计创作，主要内容包括：一种提高核主泵飞轮结构完整性的加工方法,属于核电装备设计与制造领域。本方法采用飞轮表面超声冲击+等离子体源渗氮复合处理工艺,首先利用超声冲击处理飞轮形成塑性变形表面,然后再进行等离子体源渗氮处理,超声冲击导致塑性变形增强渗氮效果,形成10-50μm耐腐蚀稳定的ε相+γ＇相渗氮层同时具有900-1200 MPa表面残余压应力,有效改善飞轮抗应力腐蚀疲劳性能,提高了使役过程飞轮结构完整性。采用此方法是在飞轮基体表面生成高压应力耐蚀层,不改变现有结构设计,无需另行加装保护套,处理方法简单易行。(A processing method for improving structural integrity of a nuclear main pump flywheel belongs to the field of design and manufacture of nuclear power equipment. The method adopts a flywheel surface ultrasonic impact and plasma source nitriding composite treatment process, firstly utilizes ultrasonic impact to treat the flywheel to form a plastic deformation surface, then carries out plasma source nitriding treatment, the ultrasonic impact causes plastic deformation to enhance the nitriding effect, a phase + gamma 'phase nitriding layer with 10-50 mu m corrosion resistance and stability is formed, and the phase + gamma' phase nitriding layer has 900-1200 MPa surface residual compressive stress, so that the stress corrosion fatigue resistance of the flywheel is effectively improved, and the structural integrity of the flywheel in service is improved. The method is adopted to generate the high-pressure stress corrosion-resistant layer on the surface of the flywheel matrix, the existing structural design is not changed, a protective sleeve is not required to be additionally arranged, and the treatment method is simple and easy to implement.)

一种提高核主泵惰转飞轮结构完整性的加工方法

技术领域

本发明涉及一种提高核主泵惰转飞轮结构完整性的加工方法，属于核电装备设计与制造领域。

背景技术

惰转飞轮是百万千瓦级核主泵关键的非能动安全保障部件，极端工况下提供高惯性，确保反应堆余热排除，防止堆芯熔化灾难事故。核主泵现阶段设计寿命 60年，并已计划延寿至80年。大质量、高转速惰转飞轮运行时轮盘承受过盈装配和高速旋转引起的机械应力，长期处于高温高辐照使役环境中，容易发生应力腐蚀疲劳断裂失效，破坏飞轮结构完整性。惰转飞轮轮盘一旦破裂，将造成核主泵剧烈振动，产生的高能飞射物可损坏泵壳等压力边界。飞轮轮盘断裂是造成核主泵破坏导致放射性工质水泄露的最严重失效形式。飞轮结构完整性设计要求在额定转速及设计转速下轮盘承受最大应力不超过规定允许限值，即在正常运转过程和事故工况下能够保证轮盘强度满足应力要求（原子能科学技术，2007年，第41卷4期：463-467页）。飞轮的结构完整性除了与轮盘所选材料的强度有关，还与飞轮使役过程轮盘抗应力腐蚀性能息息相关。

核主泵主要有屏蔽式、轴封式和湿绕组式，均采用纯非能动理念设计，具有优化结构和性能协同的高可靠性要求（电力通用机械，2015年，第9期：79-81页）。屏蔽式、湿绕组式核主泵惰转飞轮浸泡在高压反应堆冷却剂中，受到空间结构的限制故采用有效增加转动惯量的高密度重金属钨合金作为填充物的复合飞轮，增加保护套和上、下端盖板形成封闭空间隔离冷却剂防止发生应力腐蚀。而轴封式核主泵惰转飞轮在空气中运行，采用一块或多块大尺寸钢盘组成，图1是轴封式核主泵惰转一种典型飞轮结构示意图。为了获得足够的转动惯量封式核主泵飞轮盘径向尺寸设计的比较大，增加保护套不切实际，不改变设计结构前提下提升轴封式核主泵惰转飞轮盘的抗应力腐蚀疲劳使役性能显得尤为重要。

发明内容

本发明提出一种提高核主泵惰转飞轮结构完整性的加工方法，特征是首先利用超声冲击处理飞轮形成塑性变形表面，然后再进行等离子体源渗氮处理，超声冲击导致塑性变形起到增强渗氮效果，形成耐腐蚀稳定的ε相+γ＇相渗氮层且具有高的表面残余压应力，可有效提高飞轮使役过程结构完整性。

本发明所采用的技术方案为：一种提高核主泵惰转飞轮结构完整性的加工方法，首先利用超声冲击处理飞轮形成塑性变形表面，然后再进行等离子体源渗氮处理，超声冲击导致塑性变形起到增强渗氮效果。

所述超声冲击处理：所使用的超声冲击枪为内藏19针式，冲击头直径19 mm，基于DSP的数字方式控制，超声冲击枪电源为220 V/50 Hz，电流2.64-3.80 A，振幅45.0-75.5 µm，频率为18.7-18.8 kHz；飞轮上端面、下端面最外侧圆周冲击头移动速度为15.5-28.5mm/min，加工轨迹形成闭合环后，垂直于移动方向径向进给7mm，重新开始，直至完成飞轮上端面、下端面全覆盖；飞轮外圆柱面上端冲击头沿着面圆周移动速度为15.5-28.5 mm/min，加工轨迹形成闭合环后，垂直于移动方向向下移动7mm，重新开始，直至完成飞轮外圆柱面全覆盖；

所述等离子体源渗氮处理：渗氮气压50 Pa，渗氮气氛N₂+H₂，渗氮时间4 h，外加偏压200 V；飞轮放置于工件支架上，关闭真空室，开启机械真空泵抽至本底真空1.5×10^-1 Pa，通入氨气对真空系统进行清洗；清洗完毕，继续抽气，调整气流量，使气压调整为40-50 Pa，采用直流电源向试样施加-500 V偏压，开始溅射清理，时间为15-30 min；待溅射清理完毕后，关闭直流电源，飞轮置于悬浮电位，采用直流脉冲电源向金属屏施加直流脉冲偏压，产生辉光放电等离子体，进行金属网罩的弧光清理及加热，升温阶段调节气压，保证升温速度，同时开启循环水冷却系统；待温度达到400℃，将气流量调至2.5 SLM，调节抽气量，使气压维持到工作气压，保持真空室内气压动态平衡，开始渗氮；待渗氮4 h后，关闭直流脉冲电源，将真空室抽至本底真空，飞轮随炉冷却，温度降至室温后，打开真空室取出飞轮；飞轮表面形成10-50 μm耐腐蚀稳定的ε相+γ＇相渗氮层。

本发明提升轴封式核主泵惰转飞轮结构完整性的物理机制是：一方面由于渗氮使飞轮表面形成一层10-50 μm的致密、化学稳定性较高的ε相+γ＇相渗氮层，保证在高温高辐照使役环境中飞轮具有高的耐腐蚀性能，另一方面由于超声冲击塑性变形和氮原子注渗导致晶格畸变双重作用影响下，表面产生900-1200 MPa的残余压应力，在交变离心载荷作用下有效抑制高应力状态飞轮表面裂纹产生，具有更高的抗疲劳性和更低的缺口敏感性。

塑性变形预处理利用便携式超声冲击设备完成，非常适合轴封式核主泵惰转飞轮表面现场操作。所采用等离子体源渗氮工艺是在余辉渗氮技术和气体辉光放电理论的基础上发展起来的一种备受好评的表面改性方法，采用氮氢混合气作为渗氮介质，渗氮废气不会污染环境，且生产耗能低，在低电压下能获得良好的渗氮效果，操作简便。

附图说明

图1 轴封式核主泵惰转飞轮结构示意图。

图2 超声冲击和等离子体源渗氮复合工艺处理飞轮微观组织。

图3 未经过处理和复合工艺处理飞轮横截面残余应力。

图4 未经过处理和复合工艺处理飞轮表面的极化曲线。

图5 未经过处理和复合工艺处理飞轮抗应力腐蚀S-N疲劳曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本专利的细节。

图1展示了轴封式核主泵惰转一种典型飞轮结构示意图。图中，飞轮上、下端面，外圆周面是待加工表面。对飞轮表面去脂、去污清洁后，进行待加工表面超声冲击塑性变形处理，使用的超声冲击枪为内藏19针式，冲击头直径19 mm，基于DSP的数字方式控制，超声冲击枪电源为220V/50 Hz，电流2.64-3.80 A，振幅45.0-75.5 µm，频率为18.7-18.8 kHz，首先从上、下端面最外侧开始，沿着飞轮外轮廓面圆周移动速度为15.5-28.5 mm/min，冲击头加工轨迹形成闭合环后，垂直于移动方向径向进给7 mm，重新开始，直至完成飞轮上、下端面全覆盖；然后从飞轮外圆柱面上端开始，沿着飞轮外轮廓面圆周移动速度为15.5-28.5mm/min，冲击头加工轨迹形成闭合环后，垂直于移动方向向下进给7 mm，重新开始，直至完成飞轮外圆柱面全覆盖。

采用等离子体源渗氮处理工艺参数：渗氮气压50 Pa，渗氮气氛N₂+H₂，渗氮时间4h，外加偏压200 V。飞轮轮盘内圆周面是非加工表面，刷涂防渗剂，清洁轮盘待加工表面，将飞轮放置于工件支架上，关闭真空室，开启机械真空泵抽至本底真空1.5×10^-1 Pa，通入氨气对真空系统进行清洗，最大限度减少真空室内及附着在炉壁和试样架上残留气体。清洗完毕，继续抽气，调整气流量，使气压调整为40-50 Pa，采用直流电源向试样施加-500 V偏压，开始溅射清理，时间为15-30 min。待溅射清理完毕后，关闭直流电源，试样置于悬浮电位，采用直流脉冲电源向金属屏施加直流脉冲偏压，产生辉光放电等离子体，进行金属网罩的弧光清理及加热，升温阶段调节气压，使工作气压与温升有合适的配合，保证升温速度，同时开启循环水冷却系统。待温度达到渗氮所需温度后，将气流量调至2.5 SLM，调节抽气量，使气压维持到工作气压，保持真空室内气压动态平衡，开始渗氮。待渗氮时间结束后，关闭直流脉冲电源，将真空室抽至本底真空，飞轮随炉冷却，温度降至室温后，打开真空室取出飞轮。

图2是超声冲击和等离子体源渗氮复合工艺处理飞轮的微观组织，表面由ε相(Fe_2-3N)+γ’相(Fe₄N)形成的厚度约为10 um的白亮层。图3是未经过处理和复合工艺处理飞轮横截面残余应力分布，未经过处理飞轮呈现拉应力，而经过复合工艺处理飞轮表面呈现压应力，表面残余压应力为900-1200 MPa，随着距离表面深度增加，应力逐渐降低，直至降低为飞轮本体拉应力水平。图4是未经过处理和复合工艺处理飞轮在1 mol/L Na₂SO₄溶液中的电化学极化曲线，未经过处理飞轮没有钝化过程，经过复合工艺处理后，飞轮表面发生了钝化，维钝电流密度在10 A/cm²-100 A/cm²之间，抗腐蚀性能大幅度提升。自腐蚀电位从原始的-631 mV提升到-494 mV，极化电阻从原始的1821 Ω增加到39467 Ω，腐蚀电流密度从原始的24.9 A/cm²降低为1.15 A/cm²。图5是未经过处理和复合工艺处理飞轮在平均应力水平为50 MPa、1 mol/L Na₂SO₄溶液中抗应力腐蚀S-N疲劳曲线对比，复合工艺处理飞轮抗应力腐蚀疲劳性能比未经过处理飞轮明显提高。