激光改性增強(qiáng)定子屏蔽套結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

張保林，潘學(xué)民

（大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

0 前言

核主泵是核島內(nèi)唯一長期高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，為整個回路循環(huán)系統(tǒng)提供了動力[1]。屏蔽套是核主泵關(guān)鍵組件，包括定子屏蔽套和轉(zhuǎn)子屏蔽套，它將高溫高壓且?guī)в懈g性的冷卻劑與定子繞組和轉(zhuǎn)子銅條等組件隔開，保護(hù)電機(jī)絕緣性能及部件免受冷卻劑的腐蝕和影響，其中轉(zhuǎn)子屏蔽套無配合間隙熱套在轉(zhuǎn)子鐵心上，筒體內(nèi)部有支撐，而定子屏蔽套兩端焊接在定子鐵心內(nèi)側(cè)，筒體內(nèi)部無支撐[2]，故實際工況中，只有定子屏蔽套會出現(xiàn)由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足而導(dǎo)致的“鼓包”失穩(wěn)問題[3]。當(dāng)定子屏蔽套結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足時，屏蔽套可能發(fā)生“鼓包”，由于電機(jī)機(jī)械間隙很小，鼓包后在電機(jī)運行時轉(zhuǎn)子與定子屏蔽套相擦，造成屏蔽套破裂,甚至發(fā)生電機(jī)堵轉(zhuǎn)事故[4，5]，所以提升定子屏蔽套結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性工程意義重大。

胡月[6]基于薄壁圓筒殼體屈曲穩(wěn)定性理論，使用Algor 有限元軟件對定子屏蔽套結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行研究，研究了邊界條件、幾何尺寸對定子屏蔽套屈曲穩(wěn)定性的影響。刁立民[7]使用ANSYS 有限元分析軟件，對實際工況中定子屏蔽套失穩(wěn)失效問題進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)增加壁厚能提升屏蔽套結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但會導(dǎo)致電機(jī)效率的降低。定子屏蔽套筒長3147mm、內(nèi)徑592.3mm、壁厚0.4mm，是一種典型的薄壁圓筒類零件。已有提升薄壁圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究中，朱振華[8]等人通過殼體焊接或鉚接加強(qiáng)圈，將失穩(wěn)臨界壓力提升1.5 倍。

由于考慮電磁損耗和核主泵整體裝配，不易從變動結(jié)構(gòu)尺寸方面提升屏蔽套結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，本文在不改變屏蔽套結(jié)構(gòu)尺寸的條件下，使用材料改性技術(shù)在定子屏蔽套上形成環(huán)形或直線形局部強(qiáng)化區(qū)域，這些區(qū)域起到類似文獻(xiàn)中“加強(qiáng)圈”的作用，在定子屏蔽套筒體上形成局部支撐，從而提高屏蔽套的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。本文借鑒文獻(xiàn)[6，7]有限元計算的方法研究了材料改性對定子屏蔽套結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，通過激光改性處理實驗室模擬屏蔽套圓筒，采用模擬與試驗結(jié)合的方法研究不同改性參數(shù)和改性工藝對圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，獲得提升實驗室模擬屏蔽套圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的最優(yōu)改性方案，同時分析了激光改性提升屏蔽套結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的機(jī)理，最終計算預(yù)測材料改性提升定子屏蔽套真實尺寸模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的效果。

1 試驗與模擬研究方法

1.1 試驗方法

核主泵定子屏蔽套材料為哈氏合金C-276，元素成分如表1。本文選用激光改性技術(shù)對尺寸為130mm×130mm×0.4mm 的哈氏合金薄板進(jìn)行處理，同時預(yù)留原始材料薄板作為對照。處理前后的哈氏合金薄板經(jīng)卷圓機(jī)卷圓，再將兩端用鎢極氬弧焊機(jī)焊接制成筒長130mm、外徑41.4mm、壁厚0.4mm 的實驗室模擬屏蔽套圓筒，其中周向掃描圓筒是將薄板沿激光掃描方向卷圓，軸向掃描圓筒將薄板垂直激光掃描方向卷圓。圖1 為哈氏合金薄板與加工成型后的實驗室模擬屏蔽套圓筒照片。

表1 哈氏合金C-276 合金元素成分 w/%

圖1 哈氏合金薄板與加工成型后實驗室模擬屏蔽套圓筒

設(shè)計加工窗口120mm×120mm 的夾具來固定薄板進(jìn)行激光改性處理，薄板裝夾見圖2。調(diào)控激光改性工藝的四個可變參數(shù)：激光功率、掃描速度、道次間距、光斑直徑，每個參數(shù)選取五個水平，激光功率設(shè)置為 110W、120W、135W、150W、165W，掃描速度設(shè)置為100mm/min、110mm/min、120mm/min、130mm/min、140mm/min，道次間距設(shè)置為3mm、4mm、5mm、6mm、7mm，光斑直徑設(shè)置為1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm，具體試驗方案見表2。

圖2 激光改性哈氏合金薄板裝夾

表2 激光改性試驗參數(shù)

哈氏合金薄板改性完成后，使用DK7732 型線切割機(jī)在薄板改性部位切取10mm×10mm 的試樣，經(jīng)過磨光、拋光、腐蝕（腐蝕劑使用王水，體積比為3:1 的濃HCl 和濃HNO3混合溶劑，腐蝕80s）后，采用Nikon eclipse MA100 金相顯微鏡（OM）和HITACHI SU5000 場發(fā)射掃描電鏡（SEM）對改性試樣和原始材料試樣微觀組織進(jìn)行觀測，并使用場發(fā)射掃描電鏡配備的能譜儀（EDS）對這些區(qū)域進(jìn)行成分分析，采用Empyrean XRD 分析改性前后試樣物相構(gòu)成。將改性后薄板和原始材料薄板按圖3a 所給的尺寸切割成拉伸試樣，拉伸前后試樣如圖3b 所示，使用Instron 電子萬能材料試驗機(jī)對試樣進(jìn)行拉伸試驗，獲取改性前后哈氏合金材料力學(xué)性能結(jié)果。

圖3 拉伸試樣尺寸參數(shù)和真實尺寸拉伸試樣

圖4 為實驗室模擬屏蔽套圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性檢測實驗平臺。使用劈型壓頭對原始材料和改性的實驗室模擬屏蔽套圓筒進(jìn)行加載，并建立相同尺寸的有限元穩(wěn)定性屈曲分析計算模型，比較試驗和模擬計算獲得的屈曲臨界載荷和失穩(wěn)變形結(jié)果，圖5 為穩(wěn)定性實驗加載壓頭與有限元模擬壓頭模型照片。

圖4 實驗室模擬屏蔽套圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性檢測實驗平臺

1.2 模擬方法

圖6a 為實驗室模擬屏蔽套圓筒模型，尺寸設(shè)置為筒長130mm、外徑41.4mm、壁厚0.4mm，模型網(wǎng)格數(shù)量為84074，邊界條件設(shè)置為兩端固支，使用圖5 所示的模擬壓頭進(jìn)行加載。圖6b 為定子屏蔽套真實尺寸模型，尺寸設(shè)置為筒長3147mm、內(nèi)徑592.3mm、壁厚0.4mm，網(wǎng)格數(shù)量為112504，邊界條件設(shè)置為兩端固支，同樣采用模擬壓頭進(jìn)行加載。模型力學(xué)屬性根據(jù)原始材料和改性哈氏合金薄板拉伸性能數(shù)據(jù)設(shè)置。模擬計算中，在模型表面施加1Pa 的單位載荷并獲得靜力解，并使用ANSYS Workbench 軟件的Eigenvalue Buckling模塊，對求得靜力解的模型進(jìn)行特征值屈曲分析，獲得模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的屈曲臨界載荷和失穩(wěn)變形結(jié)果。

圖5 穩(wěn)定性試驗加載壓頭與有限元模擬壓頭模型（a）試驗壓頭（b）模擬壓頭

在圖6 計算模型建立方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合改性工藝激光光斑直徑和道次間隔參數(shù)，分別建立圖7a 所示的周向掃描和圖7b 所示的軸向掃描實驗室模擬圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算模型，以及圖8a 所示的周向掃描和圖8b 所示的軸向掃描定子屏蔽套真實尺寸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算模型，其中周向掃描是在筒體沿環(huán)形激光路徑進(jìn)行激光改性，軸向掃描是在筒體上沿直線路徑進(jìn)行激光掃描，每一路徑之間存在道次間隔，激光掃描路徑設(shè)置相應(yīng)改性工藝下哈氏合金力學(xué)性能參數(shù)，道次間隔部位設(shè)置原始材料力學(xué)性能參數(shù)。

圖6 試驗室模擬屏蔽套圓筒和真實尺寸定子屏蔽套有限元計算模型（a）實驗室模擬屏蔽套圓筒模型（b）定子屏蔽套真實尺寸模型

圖7 實驗室模擬屏蔽套圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算模型（a）周向掃描（b）軸向掃描

圖8 定子屏蔽套真實尺寸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算模型（a）周向掃描（b）軸向掃描

2 實驗室模擬屏蔽套圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性結(jié)果

2.1 穩(wěn)定性試驗與有限元計算驗證

表3 為實驗室模擬屏蔽套圓筒改性前后屈曲臨界載荷試驗和有限元結(jié)果,由表可知，改性圓筒屈曲臨界載荷試驗和有限元結(jié)果高于原始材料圓筒，其中改性圓筒試驗屈曲臨界載荷比原始材料圓筒高23.6N，提升14.5%。模擬計算得到的屈曲臨界載荷值略低于試驗結(jié)果，模擬值與試驗值相差6.6 N,誤差3.6%。圖9 為實驗室模擬屏蔽套圓筒實驗和有限元失穩(wěn)變形圖片，對比可知，改性圓筒發(fā)生失穩(wěn)時的試驗變形小于原始材料圓筒，改性圓筒的模擬計算變形云圖中的最大變形量也小于原始材料圓筒，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是圓筒經(jīng)過改性處理后，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提升，發(fā)生失穩(wěn)時的屈曲臨界載荷增大，失穩(wěn)變形減小。綜上所述，有限元特征值屈曲模擬計算方法研究改性圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性在誤差范圍內(nèi)具有可行性。

圖9 實驗室模擬屏蔽套圓筒失穩(wěn)變形圖

表3 實驗室模擬屏蔽套圓筒改性前后屈曲臨界載荷試驗和有限元結(jié)果

2.2 激光功率對圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

表4 為不同激光功率改性圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性結(jié)果，由表可知，激光功率在110W～150W 時，圓筒屈曲臨界載荷隨激光功率提升而增加，當(dāng)功率進(jìn)一步提高時，模型屈曲臨界載荷下降。同時，可以觀察到周向激光掃描路徑加工的改性圓筒模型除激光功率165W 外，在其他激光功率下相較于軸向激光掃描路徑加工模型，有更高的屈曲臨界載荷。改性前后圓筒結(jié)構(gòu)失穩(wěn)波數(shù)未發(fā)生變化，都為5。

表4 不同激光功率改性圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性結(jié)果

2.3 掃描速度對圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

表5 為不同激光掃描速度改性圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性結(jié)果，由表可知，激光掃描速度在（100～120）mm/min 時，圓筒屈曲臨界載荷隨激光掃描速度提升而增加，當(dāng)掃描速度進(jìn)一步提高時，模型屈曲臨界載荷下降。同時，可以觀察到周向激光掃描路徑加工的改性圓筒模型在掃描速度（100～120）mm/min 范圍內(nèi)，相較于軸向激光掃描路徑加工模型有更高的屈曲臨界載荷。改性前后圓筒結(jié)構(gòu)失穩(wěn)波數(shù)未發(fā)生變化，都為5。

表5 不同激光掃描速度改性圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性結(jié)果

2.4 道次間隔對圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

表6 為不同道次間隔激光改性圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性結(jié)果，由表可知，激光道次間隔增大時，圓筒屈曲臨界載荷隨激光道次間隔增大而降低。同時，可以觀察到周向激光掃描路徑加工的改性圓筒模型除道次間隔5mm、6mm 外，在其他道次間隔條件下相較于軸向激光掃描路徑加工模型有更高的屈曲臨界載荷。改性前后圓筒結(jié)構(gòu)失穩(wěn)波數(shù)未發(fā)生變化，都為5。

表6 不同道次間隔激光改性圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性結(jié)果

2.5 光斑直徑對圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

表7 為不同光斑直徑激光改性圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性結(jié)果，由表可知，激光光斑直徑在1.0mm～2.0mm時，圓筒屈曲臨界載荷隨激光光斑直徑增大而提升，當(dāng)光斑直徑進(jìn)一步提高時，模型屈曲臨界載荷下降。同時可以觀察到周向激光掃描路徑加工的改性圓筒模型除激光光斑直徑為1.0mm 外，其他光斑直徑條件下相較于軸向激光掃描路徑加工模型，都有更高的屈曲臨界載荷。改性前后圓筒結(jié)構(gòu)失穩(wěn)波數(shù)未發(fā)生變化，都為5。

表7 不同光斑激光改性圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性結(jié)果

通過比較實驗室模擬屏蔽套改性圓筒屈曲臨界載荷結(jié)果，獲得最大提升原始材料圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的工藝參數(shù)：激光功率150W、掃描速度120 mm/min、道次間隔3mm、光斑直徑2mm；激光掃描方式為周向加載。

3 激光改性增強(qiáng)屏蔽套圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性微觀機(jī)制分析

3.1 微觀組織

對激光改性前后哈氏合金C-276 試樣組織進(jìn)行金相分析，圖10a 為熱軋+固溶退火處理狀態(tài)原始材料試樣微觀組織，由圖可知，原始材料為等軸奧氏體和退火孿晶組織，圖10b 為激光改性試樣微觀組織，由圖可知，改性后試樣為奧氏體組織。對比發(fā)現(xiàn)激光改性后，基體發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，同時有部分原奧氏體保留，晶粒得到細(xì)化。圖11 為改性前后試樣XRD 衍射圖譜，由圖可知，改性前后試樣衍射峰無變化，改性后未發(fā)生相變，無新的物相生成。晶粒形核和生長受激光改性工藝急熱驟冷過程影響，急熱時形核速度加快，但隨后驟冷時晶粒生長速度降低，導(dǎo)致晶粒細(xì)化。

圖10 原始材料及激光改性后試樣微觀組織

圖11 改性前后試樣XRD 衍射圖譜

圖12 為原始材料和激光改性試樣的SEM 圖片，掃描電鏡高倍率下觀察激光改性試樣均有相析出，但含量低于5%，故在XRD 檢測試驗中沒有析出相的衍射峰。在原始材料、改性試樣基體和析出相部位取點進(jìn)行點掃描能譜分析（EDS），得到所選點的合金含量如表8 所示，由表可知，析出相相較于基體，有更高的Mo、W 元素含量和更低的Ni 元素含量。改性試樣基體與原始材料元素含量基本相同，這也進(jìn)一步說明了改性試樣析出相的含量很少。文獻(xiàn)報道，哈氏合金焊接過程中有脆性相μ相[11]析出，生成的μ 相有特定的合金含量[12]，其中Ni 含量為33%～34%，Mo 含量為40%～41%，這與本試驗中析出相的元素含量基本吻合，從而推斷改性哈氏合金C-276 試樣中的少量析出相是脆性相μ 相，這些析出相的彈性模量高于原始材料，有利于改性試樣彈性模量的提升[63]。

圖12 基體和激光改性試樣EDS 分析

表8 原始材料及激光改性試樣析出相元素含量 w/%

3.2 力學(xué)性能

對改性試樣和原始材料進(jìn)行拉伸性能測試，獲得試樣的拉伸性能結(jié)果。表9 為不同激光功率改性哈氏合金C-276 試樣力學(xué)性能，表10 為不同激光掃描速度改性哈氏合金C-276 試樣力學(xué)性能，表11 為不同激光道次間隔改性哈氏合金C-276 試樣力學(xué)性能，表12 為不同激光光斑直徑改性哈氏合金C-276 試樣力學(xué)性能。由表可知，改性試樣屈服強(qiáng)度隨改性功率提升整體呈先增大后降低趨勢，隨掃描速度提升而提升，隨道次間隔增加呈先不變后減小趨勢，隨光斑直徑增加整體呈先增大后降低趨勢；改性試樣彈性模量隨改性功率、掃描速度、光斑直徑提升整體呈先增大后降低趨勢，隨道次間隔增大整體呈降低趨勢。

表9 不同激光功率改性哈氏合金C-276 試樣力學(xué)性能

表10 不同激光掃描速度改性哈氏合金C-276 試樣力學(xué)性能

表11 不同道次間隔改性哈氏合金C-276 試樣力學(xué)性能

表12 不同激光光斑直徑改性哈氏合金C-276 試樣力學(xué)性能

綜上所述，激光改性處理后，試樣晶粒細(xì)化，材料強(qiáng)度提升；同時有Mo 和W 元素富集的析出相產(chǎn)生，其彈性模量高于基體，材料彈性模量提升[13]。激光改性后屏蔽套用材哈氏合金C-276 的屈服強(qiáng)度、彈性模量提升是屏蔽套結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)的原因。

4 定子屏蔽套真實尺寸模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性預(yù)測

激光改性前后屏蔽套模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性結(jié)果如表13，由表可知，激光周向和軸向掃描改性屏蔽套的屈曲臨界載荷都高于原始材料屏蔽套，其中周向掃描改性模型有更高的屈曲臨界載荷值，相較于原始材料屏蔽套提升292.0 Pa，提升12.7%。表面改性前后定子屏蔽套結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)波數(shù)未發(fā)生變化，都為5。

表13 激光改性前后定子屏蔽套結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性結(jié)果

5 結(jié)論

（1）激光改性能有效提升實驗室模擬屏蔽套圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，改性前后圓筒局部屈曲臨界載荷實驗值由162.4N 提升至185.9N，模擬值與試驗值相差6.6N，誤差3.6%，驗證了改性屏蔽套結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性特征值模擬計算方法的可行性。

（2）激光改性通過細(xì)化晶粒和第二相析出強(qiáng)化提高了哈氏合金C-276 的力學(xué)性能，從而提升了實驗室模擬屏蔽套圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并得到現(xiàn)有實驗條件下的最優(yōu)工藝：激光功率150W，掃描速度120mm/min，道次間隔3mm，光斑直徑2mm，改性前后試樣屈服強(qiáng)度由459.7MPa 提升至494.1 MPa，抗拉強(qiáng)度由941.9MPa 提升至989.4MPa，彈性模量由60.82GPa 提升至67.92GPa。

（3）計算預(yù)測材料改性提升真實尺寸定子屏蔽套結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的效果，激光周向掃描改性屏蔽套模型相比未改性屏蔽套模型的屈曲臨界載荷提升最明顯，由2290.4Pa 提升至2582.4Pa，材料改性前后定子屏蔽套結(jié)構(gòu)失穩(wěn)波數(shù)未發(fā)生變化。