一种提高核电690合金应力腐蚀抗性和耐磨性的激光处理方法

技术领域

本发明涉及一种提高核电690合金应力腐蚀抗性和耐磨性的激光处理方法,属于激光 材料加工领域。

背景技术

相对于传统的火电、水电等能源系统，核电作为一种安全、清洁、经济的新型能源， 对人类的能源供给起着不可代替的作用。压水堆核电站蒸汽发生器传热管的面积占一回路 承压边界面积的80％左右，传热管壁厚一般为1mm～1.2mm，是整个一回路压力边界中最 薄弱的部分，国外运行经验表明，大约30％～40％的压水堆因为蒸汽发生器传热管损伤而 影响正常运行、降低功率运行或被迫停堆。传热管的破损是由各类腐蚀造成的，包括点蚀 (Pitting)、晶间腐蚀(IGA)和晶间应力腐蚀(IGSCC)，其中，60％的问题属应力腐蚀问题。同 时压水堆核电站正常工作时，由于流致振动导致的传热管与衬板发生微动磨损，也增加了 传热管腐蚀开裂的倾向。

Inconel690合金是高Cr镍基合金，主要用于腐蚀性水介质和高温空气介质环境，而且 具有高强度、好的冶炼稳定性和良好的制造特性，广泛使用在核电站蒸汽发生器传热管上。 但到目前为止，最早的采用690TT作为传热管材的蒸汽发生器运行也只有不到30年的历 史，并且在国外也已经有少量这种材质的传热管出现应力腐蚀开裂问题以及微动磨损问 题。因此解决蒸汽发生器破管事故是关系到核电站的安全性及使核电站具有竞争性和生命 力的关键问题。

在对已有专利的检索中，发现了名为“一种提高Inconel690合金传热管抗应力腐蚀能 力的方法”的发明专利(专利号101974773A，以下称“对比专利”)，该发明采用电镀铬加 激光辐照的方法进行表面改性。但该专利采用的电镀铬工艺，其镀铬层容易脱落，且电镀 过程中容易对环境造成污染，而且电镀铬与激光加工的分离也增加了运输成本，不利于现 场处理。

发明内容

本发明的目的就是为了解决传热管应力腐蚀开裂以及微动磨损问题，提供一种提高核 电690合金传热管应力腐蚀抗性和耐磨性的方法，它可使传热管抵抗应力腐蚀的能力和耐 磨性能得到大幅提高。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提高核电690合金应力腐蚀抗性和耐磨性的激光处理方法,其特征在于采用波 长为800-1070nm连续激光热源熔凝处理690合金传热管外圆表面的同时辅助氮气进行渗 氮处理，，激光功率300-1000W，激光扫描线速度为200-800mm/min，光斑直径0.5-3mm， 搭接率20-60％，激光熔凝690合金管外圆表面的同时辅助氮气进行渗氮处理，氮气流量为 20-30L/min，氮气喷嘴到传热管表面的距离为5-12mm，喷嘴出口氮气压强为0.5-1MPa,690 传热管内孔辅助流量为20-30L/min的氩气进行保护内孔表面和冷却管壁。

获得厚度为20-100μm致密渗氮层,硬度提高到HV200-400。

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，转台转动的同时对690合金传热管表面进行激光熔 凝，并用喷嘴向熔凝区通高纯氮气进行渗氮处理。

3.渗氮处理同时传热管内配以纯氩气进行保护，防止热影响区合金发生氧化。

激光熔凝渗氮(Laser Melting and Nitriding，LMN)参数如下：

激光器为半导体或光纤激光器,激光波长800-1070nm

激光功率300-1000W

激光扫描速度200-800mm/min

光斑直径0.5-3mm

搭接率20-60％

喷嘴处氮气压强0.5-1MPa

氮气流量为20-30L/min

氩气流量为20-30L/min

氮气喷嘴到传热管表面的距离为5-12mm

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 行表面处理，且得到的激光渗氮层结构致密、组织均匀，其应力腐蚀抗性和耐磨性显著提 高，而采用短波长激光渗氮，光可以更有效的被基体吸收，提高渗氮效率。

附图说明

图1是激光熔凝渗氮示意图

1、690传热管外表面；2、机床转台；3、激光系统；4、渗氮喷嘴；5、氩气喷嘴(与 传热管内壁密封接合)；6、氮化层；7、传热管内壁；8、熔凝区；9、热影响区

图2不同载荷下的磨痕深度图

具体实施方式

实施例1：

所述激光熔凝渗氮过程为：选取Inconel690合金传热管(外径为19mm，壁厚为1.2mm， 长300mm)，传热管外表面1采用酒精清洗以除去表面杂质,并将传热管固定在机床转台2 上，设置转台转速，使690合金传热管外圆的旋转线速度达到200mm/min，同时采用波长 为1070nm的光纤激光器进行表面处理，激光热源3对690合金传热管表面进行熔凝，激 光输出功率为300W，聚焦后的光斑直径为0.5mm，扫描搭接率为20％，固定在激光系统 外围的渗氮喷嘴4向激光辐照区以20L/min的流量送入出口压力为0.5MPa的高纯氮气 (99.995％)，渗氮喷嘴距离传热管表面的距离为12mm，同时由连接传热管内壁的氩气喷嘴 5向传热管内以20L/min通入纯氩气(99.95％)进行保护、冷却，防止传热管发生氧化。

截取部分试样，用显微镜观察测得熔凝渗氮层6的平均厚度约为20μm，测得外表面 硬度为HV200。

截取42mm渗氮管制成拉伸试样，进行应力腐蚀拉伸试验，试验应变速率为1×10^-6s^-1， 试验介质50％NaOH+0.3％SiO₂+0.3％Na₂S₂O₃(质量分数组成)溶液。试验结果如下表：

表中：δ——试样的延伸率

RA——试样的断面收缩率

CGR——SCC裂纹扩展速率

I——SCC敏感性指数(应力-应变曲线积分面积)

UTS——最大应力

1)截取20mm激光熔凝渗氮管进行微动磨损试验

a.实验设备：PLINT微动磨损试验机；

b.摩擦副：1Cr13不锈钢实心圆柱体(Φ10mm×20mm)，表面粗糙度Ra＝0.02μm；

c.试验参数：法向载荷分别为F_n＝20、50、80N，循环次数20000次，位移幅值 100μm，频率2Hz，常温常压；

d.试验结果如图2。

实施例2：

所述激光熔凝渗氮过程为：熔凝渗氮前处理同实施例1，采用波长为980nm的半导体 激光器进行表面处理，半导体激光输出功率为600W，传热管外圆线速度为500mm/min， 光斑直径为1.5mm，扫描搭接率为40％，固定在激光系统外围的渗氮喷嘴向激光辐照区送 入25L/min的高纯氮气(99.995％)，喷嘴距离传热管表面的距离为9mm，氮气出口压力为 0.75MPa，同时由连接传热管内壁的氩气喷嘴向传热管内通入25L/min纯氩气(99.95％)进行 保护、冷却。

截取部分试样，用显微镜观察测得熔凝渗氮层平均厚度约为72μm，测得外表面硬度 为HV280。

截取42mm渗氮管制成拉伸试样，进行应力腐蚀拉伸试验，试验参数同实施例1，试 验结果如下表：

1)截取20mm激光熔凝渗氮管进行微动磨损试验

微动磨损试验参数同实施例1，试验结果如图2。

实施例3：

所述激光熔凝渗氮过程为：熔凝渗氮前处理同实施例1，采用波长为800nm的半导体 激光器进行表面处理，激光输出功率为1000W，传热管外圆线速度为800mm/min，光斑 直径为3mm，扫描搭接率为60％，固定在激光系统外围的喷嘴向激光辐照区送入30L/min 高纯氮气(99.995％)，喷嘴距离传热管表面的距离为5mm，氮气出口压力为1MPa，同时由 连接传热管内壁的氩气喷嘴向传热管内通入30L/min纯氩气(99.95％)进行保护、冷却。

截取部分试样，用显微镜观察测得熔凝渗氮层厚度约为100μm，测得外表面硬度为 HV400。

截取42mm渗氮管制成拉伸试样，进行应力腐蚀拉伸试验，试验参数同实施例1，试 验结果如下表：

1)截取20mm激光熔凝渗氮管进行微动磨损试验

微动磨损试验参数同实施例1，试验结果如图2。

激光熔凝渗氮试样的抗拉强度、延伸率、断面收缩率、硬度都有不同程度提高，裂纹扩展 率降低，耐蚀性能得到提高，由图2可以看出常温常压下，激光熔凝渗氮试样比未经处理的 Inconel690合金管的磨痕深度更浅、更耐磨。