熱等靜壓技術制造的核主泵屏蔽電機推力盤的性能分析

秦 斌　李雅范　曲兆國（哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江　哈爾濱　150066）

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熱等靜壓技術制造的核主泵屏蔽電機推力盤的性能分析

秦 斌李雅范曲兆國
（哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150066）

摘要：采用熱等靜壓技術制造的推力盤，其表面層硬度值高于50HRC且分布均勻，表面質(zhì)量良好，表面殘余應力為壓應力，結(jié)合界面實現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。

關鍵詞：熱等靜壓技術；核主泵；屏蔽電機；推力盤

1 引言

推力盤是核主泵屏蔽電機中的重要部件，其與石墨瓦塊組成軸承的摩擦配對副，從設計角度來考慮，要求推力盤的工作面必須具備耐磨的特點。單一材料的性能難以滿足推力盤工作面耐磨的要求，通常采用在鍛件上堆敷一層硬質(zhì)合金粉末來實現(xiàn)耐磨的技術要求。常規(guī)屏蔽電機的推力盤是采用堆焊法來制造的，但堆焊法存在熱影響區(qū)大、堆焊層硬度不均勻且易開裂的缺點，不適合用于制造對于大尺寸的推力盤。對于三代核主泵屏蔽電機用大尺寸推力盤，通過技術引進擬采用熱等靜壓新技術來制造。但在技術引進中，缺少熱等靜壓技術制造的推力盤的性能分析數(shù)據(jù)，不利于核主泵屏蔽電機的國產(chǎn)化設計和制造。本文完成了熱等靜壓技術制造的推力盤的性能分析，對核主泵屏蔽電機的國產(chǎn)化可起到促進作用。

2 試驗過程及討論

采用N06600鎳基合金鍛件和Stellite12鈷基粉末為原料，在100MPa、1130℃的熱等靜壓工藝參數(shù)下，試制核主泵推力盤不同尺寸的模擬件，并對模擬件進行檢測，獲得了表面硬度、表面質(zhì)量、殘余應力、界面力學性能和和界面冶金性能的數(shù)據(jù)。

2.1 表面硬度。表面硬度是推力盤的主要設計指標。對制造的φ600、φ960、φ1080不同直徑的推力盤模擬件進行了洛氏硬度試驗，試驗按照ASTM A370進行。試驗結(jié)果顯示，表面硬度值高于50HRC，且硬度值分布均勻。

2.2 表面質(zhì)量。采用目視和表面液體滲透探傷的方法對上述所有推力盤模擬件的表面質(zhì)量進行檢測，沒有發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷，表面質(zhì)量優(yōu)于堆焊制造的小尺寸推力盤。

2.3 殘余應力。在熱等靜壓過程中，推力盤的粉末和鍛件的熱膨脹系數(shù)不同，且在高壓的環(huán)境下成型，因此熱等靜壓后推力盤的表面會有殘余應力存在。壓應力會提高耐磨性能，拉應力會降低耐磨性能，所以有必要對推力盤表面的殘余應力狀態(tài)進行分析。殘余應力的測試通過解剖φ600模擬件進行，測試采用盲孔法。測試采用的主要參數(shù)有：A系數(shù)0.07255； B系數(shù)0.1512；彈性模量207GPa；附加應變-39με。圖1為測試分布示意圖。左側(cè)圖中的1～5#平臺為Stellite 鈷基合金，6#平臺為鎳基合金，且5#平臺鈷基層厚度約1.2mm，測試的殘余應力同時包含鈷基合金、鎳基合金及其界面。右側(cè)圖中的3-1、5-1、5-2、6-1、6-2為熱處理前測量的5個點，3-1*、5-1*、5-2*、6-1*、6-2*為熱處理后相似位置的5個點，其中3-1和3-1*的對比可以看出熱處理對鈷基合金的影響，5-1、5-2和5-1*、5-2*的對比反應了熱處理對界面殘余應力的影響，6-1、6-2和6-1*、6-2*的對比可以看出熱處理對鎳基合金的影響。測試結(jié)果顯示，熱等靜壓后的推力盤在表面至接近界面深度處，表現(xiàn)為壓應力；在經(jīng)過熱處理后，在其表面至接近界面深度處仍為壓應力。

2.4 硬質(zhì)合金粉末層力學性能。解剖φ600模擬件后取樣進行硬質(zhì)合金粉末層力學性能的測試，測試顯示抗拉強度為1407MPa，屈服強度為1105MPa，抗彎強度為1735MPa，斷裂韌性為23 MPa·m1/2。測試結(jié)果顯示硬質(zhì)合金層能承受很大的拉力，粉末顆粒與粉末顆粒之間實現(xiàn)了良好的結(jié)合。

2.5 接頭拉伸試驗。接頭拉伸性能是熱等靜壓擴散連接的一個重要參數(shù)。從φ600模擬件上切取4個小拉伸試樣，按GB/T228進行拉伸試驗，測試的抗拉強度平均值為434MPa。測試結(jié)果顯示經(jīng)過熱等靜壓處理后，鍛件與粉末的結(jié)合層能承受較大的拉力，結(jié)合效果很好。

2.6 界面微觀檢測。對界面處及其附近進行掃描電鏡及能譜微觀檢測，分析元素擴散情況，如圖2所示，擴散區(qū)寬度為60μm左右，鈷基層與鎳基合金界面過渡層中發(fā)生了合金元素的擴散遷移，界面實現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。

結(jié)語

（1）熱等靜壓技術制造的推力盤的表面硬度在50HRC以上，且硬度值分布均勻；（2）熱等靜壓技術制造的推力盤的表面質(zhì)量良好；（3）熱等靜壓技術制造的推力盤的表面殘余應力為壓應力，有利于推力盤耐磨的設計要求；（4）熱等靜壓技術制造的推力盤的粉末與粉末之間、粉末層與鍛件結(jié)合層都實現(xiàn)了良好的結(jié)合；（5）熱等靜壓技術制造的推力盤的界面結(jié)合層實現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。

參考文獻

[1]孟繁東.核主泵屏蔽電機溫度場分析與研究[D].哈爾濱理工大學，2013.

中圖分類號：TF124

文獻標識碼：A