一种乏燃料用球墨铸铁激光熔覆层裂纹控制方法

本发明属于铸铁件激光熔覆，具体涉及一种乏燃料用球墨铸铁激光熔覆层裂纹控制方法。

背景技术：

1、随着我国核电站服役时间增长，带来的一个重大问题是产生的乏燃料逐年快速增多，需要大量外运贮存。与不锈钢、碳钢等相比，球墨铸铁用来制造乏燃料贮运容器，具有制造成本低、安全性好、贮运双重用途等优势，成为贮运容器筒体制造的主要候选材料。但是，由于乏燃料装卸时容器筒体内壁会承受酸性水环境腐蚀，而球墨铸铁耐腐蚀性能较差，因此，亟需研究筒体内壁的防腐技术。热喷涂、电镀、堆焊等工艺复杂，效率低，能耗高。而激光熔覆技术具有能量集中、工件变形小、熔覆层与基体冶金结合等优点，用于球墨铸铁贮运容器筒体内壁熔覆层制备具有很大优势。但是，球墨铸铁表面激光熔覆不锈钢粉末和镍基粉末后发现，熔覆层表面和界面区域易出现裂纹。因此，开发新型铁基合金粉末，解决乏燃料球墨铸铁激光熔覆层裂纹问题，成为乏燃料贮运容器筒体制造迫切需要解决的难题之一。

2、一般情况下，熔覆材料与基体的线膨胀系数越相近，越有利于避免熔覆层裂纹的产生。另外，高能激光束作用下易产生拉应力，如果能降低拉应力大小甚至改“拉”为“压”，也有利于抑制熔覆层裂纹产生。镍基合金、不锈钢与球墨铸铁基体的线膨胀系数存在差别，加之球墨铸铁的碳当量高，在激光热拉应力作用下，热裂倾向高。铁基合金粉末与球墨铸铁基体具有更好的物性匹配，而且相比镍基合金粉末和不锈钢粉末成本也较低。中国专利(cn113136532b，一种用于激光熔覆的铁基合金粉末及其制备方法)介绍了一种铁基合金粉末成分及其制备方法，该粉末主要用于基体为钢、工具钢或不锈钢表面涂层制备，而非球墨铸铁。中国专利(cn107245713b，激光熔覆修复球墨铸铁轧辊表面用合金粉末)介绍了一种修复球墨铸铁轧辊表面的合金粉末，但该粉末为镍基合金，同时混合添加了b4c和石墨烯，保证粉末球形度困难，制造成本较高。li等(y.li,s.dong,p.he,et al.journal ofmaterials processing tech.269(2019)163-171)开发了铁基合金粉末用于球墨铸铁的激光熔覆再制造，但粉末中ni含量高达35wt.％，制造成本较高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种乏燃料用球墨铸铁激光熔覆层裂纹控制方法，该方法设计了一种新型铁基合金粉末，与球墨铸铁qt400-18具有几乎相同的线膨胀系数，同时可产生低温马氏体相变，降低拉应力大小，甚至改应力为压应力，可有效地解决球墨铸铁qt400-18激光熔覆层裂纹出现问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种乏燃料用球墨铸铁激光熔覆层裂纹控制方法，将铁基合金粉末通过激光熔覆在球墨铸铁表面，铁基合金粉末由如下质量百分比的组分组成：c≤0.05％，mn 0.8～1.2％，si 0.8～1.0％，p≤0.015％，s≤0.015％，cr 8～12％，ni 7～9％，mo 0.3～0.6％，b 0.6～1.0％，ce 0.1～0.3％，fe余量。

4、所述的乏燃料用球墨铸铁激光熔覆层裂纹控制方法，铁基合金粉末采用真空气雾化方法制备，铁基合金粉末颗粒的粒度在45～200μm。

5、所述的乏燃料用球墨铸铁激光熔覆层裂纹控制方法，铁基合金粉末的激光熔覆工艺参数：输出功率1.2～1.8kw，扫描速率为6～10mm/s，送粉量8～12g/min，保护氩气流量12～20l/min，搭接率35～45％，送粉方式为同步同轴输送。

6、所述的乏燃料用球墨铸铁激光熔覆层裂纹控制方法，激光熔覆前，将铁基合金粉末在120℃干燥箱中烘干2h。

7、所述的乏燃料用球墨铸铁激光熔覆层裂纹控制方法，铁基合金粉末作为激光熔覆材料，其线膨胀系数与基体qt400-18球墨铸铁相同。

8、所述的乏燃料用球墨铸铁激光熔覆层裂纹控制方法，激光熔覆层表面残余应力为压应力。

9、本发明的设计思想是：

10、ni元素是促使基体获得稳定奥氏体组织的主要合金元素，具有抗氧化、耐腐蚀、耐磨损等作用，但ni含量过高，会降低熔覆材料冲击韧性，可控制在7～9％范围内。

11、cr元素可以促进马氏体的生成，具有较好的防腐能力，但cr含量过高会增加热脆倾向，可控制在8～12％范围内。

12、b、si元素具有提高熔覆材料耐磨性和硬度，促进涂层粉末产生自熔性等作用，si可优先在表面集聚，形成富o、si层，有利于阻止腐蚀液渗入，故b含量控制在0.6～1.0％范围内，si含量控制在0.8～1.0％范围内。

13、c、mn等元素改善熔覆层材料强度，但c、mn含量过高，会大大降低熔覆材料的韧性，易产生裂纹。故控制c含量不超过0.05％，mn含量在0.8～1.2％范围内。

14、mo元素可以改善钢的热脆倾向，但含量过高，引起熔覆材料脆化，可控制在0.3～0.6％范围内。

15、加入少量的稀土元素ce可以细化晶粒，提高抑制裂纹产生的能力，但过多的稀土元素ce，易生成夹杂物等缺陷，反而促进裂纹产生。可控制在0.1～0.3％范围内。

16、铁基合金中各元素含量范围的确定，还要考虑c、mn、ni、cr、mo等元素对降低马氏体相变开始温度ms的重要作用，使ms为200℃左右，熔覆金属凝固过程中应产生较为完全的马氏体相变。

17、铁基合金中各元素含量范围的确定，还要考虑各元素(特别是ni、cr)对熔覆材料线膨胀系数的重要作用，应使其与基体qt400-18球墨铸铁的线膨胀系数相近。

18、本发明的优点及有益效果在于：

19、本发明提供了一种乏燃料用球墨铸铁激光熔覆层裂纹控制方法，开发了一种新型铁基合金粉末，将本发明的铁基合金粉末通过激光熔覆在qt400-18球墨铸铁表面，熔覆材料与基体具有几乎相同的线膨胀系数，同时可发生低温马氏体相变，从而将熔覆层表面应力改为压应力，有效地抑制熔覆层裂纹产生。

技术特征：

1.一种乏燃料用球墨铸铁激光熔覆层裂纹控制方法，其特征在于，将铁基合金粉末通过激光熔覆在球墨铸铁表面，铁基合金粉末由如下质量百分比的组分组成：c≤0.05％，mn0.8～1.2％，si 0.8～1.0％，p≤0.015％，s≤0.015％，cr 8～12％，ni 7～9％，mo 0.3～0.6％，b 0.6～1.0％，ce 0.1～0.3％，fe余量。

2.如权利要求1所述的乏燃料用球墨铸铁激光熔覆层裂纹控制方法，其特征在于，铁基合金粉末采用真空气雾化方法制备，铁基合金粉末颗粒的粒度在45～200μm。

3.如权利要求1所述的乏燃料用球墨铸铁激光熔覆层裂纹控制方法，其特征在于，铁基合金粉末的激光熔覆工艺参数：输出功率1.2～1.8kw，扫描速率为6～10mm/s，送粉量8～12g/min，保护氩气流量12～20l/min，搭接率35～45％，送粉方式为同步同轴输送。

4.如权利要求3所述的乏燃料用球墨铸铁激光熔覆层裂纹控制方法，其特征在于，激光熔覆前，将铁基合金粉末在120℃干燥箱中烘干2h。

5.如权利要求1所述的乏燃料用球墨铸铁激光熔覆层裂纹控制方法，其特征在于，铁基合金粉末作为激光熔覆材料，其线膨胀系数与基体qt400-18球墨铸铁相同。

6.如权利要求1所述的乏燃料用球墨铸铁激光熔覆层裂纹控制方法，其特征在于，激光熔覆层表面残余应力为压应力。

技术总结
本发明属于铸铁件激光熔覆技术领域，具体涉及一种乏燃料用球墨铸铁激光熔覆层裂纹控制方法。将铁基合金粉末通过激光熔覆在球墨铸铁表面，铁基合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C≤0.05％，Mn 0.8～1.2％，Si 0.8～1.0％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr 8～12％，Ni 7～9％，Mo 0.3～0.6％，B 0.6～1.0％，Ce 0.1～0.3％，Fe余量。将本发明的铁基合金粉末通过激光熔覆在QT400‑18球墨铸铁表面，熔覆材料与基体具有几乎相同的线膨胀系数，同时可发生低温马氏体相变，从而将熔覆层表面应力改为压应力，有效地抑制熔覆层裂纹产生。

技术研发人员：董文超,陆善平
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21