朱 智，張立文，周平鎮(zhèn)，聶龍飛，申文飛

（大連理工大學(xué)，遼寧 大連116023）

轉(zhuǎn)子屏蔽套是AP1000核主泵的關(guān)鍵部件之一，將其套裝在轉(zhuǎn)子外面，可以防止轉(zhuǎn)子與泵內(nèi)的冷卻劑接觸，避免其受到冷卻劑的侵蝕，轉(zhuǎn)子屏蔽套的制造和裝配精度及質(zhì)量將直接影響核主泵的正常運轉(zhuǎn)[1]。

AP1000核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套具有超薄大徑厚比的特點，其制造和裝配難度非常大。核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套采用Hastelloy C-276合金薄板（厚0.381～0.7 m m）經(jīng)過剪切和焊接工藝制造而成。焊接后，轉(zhuǎn)子屏蔽套的表面特別是焊縫區(qū)附近會產(chǎn)生凹凸不平的褶皺，使得熱套裝后轉(zhuǎn)子屏蔽套各處的箍緊程度不同，在轉(zhuǎn)子屏蔽套內(nèi)徑較大處，轉(zhuǎn)子屏蔽套與轉(zhuǎn)子間配合過松，在核主泵的運行過程中容易引起轉(zhuǎn)子屏蔽套與轉(zhuǎn)子松脫；而配合過緊處，則會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子屏蔽套內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力，在核主泵的運行過程中容易引起應(yīng)力腐蝕，而且增加了熱套裝的難度。因此，在實際生產(chǎn)中，要求AP1000轉(zhuǎn)子屏蔽套的直徑公差為±0.076 mm，對制造工藝的精度要求非常高[1]，即使采用精密剪切和精密焊接，也難以滿足精密裝配前對轉(zhuǎn)子屏蔽套的高精度要求，而且轉(zhuǎn)子屏蔽套的內(nèi)部存在著殘余應(yīng)力。為此，提出了采用精密真空蠕變熱脹形技術(shù)對焊接后的轉(zhuǎn)子屏蔽套進行誤差治理的方法。該方法利用模具和屏蔽套間的膨脹系數(shù)差異，在加熱及保溫過程中，依靠模具和屏蔽套間的膨脹系數(shù)差引起的熱膨脹力使轉(zhuǎn)子屏蔽套發(fā)生永久的塑性及蠕變變形，屏蔽套內(nèi)表面與高精度模具外表面緊密貼合，冷卻后屏蔽套的尺寸能夠達到套裝前的高精度要求。由于高溫蠕變使屏蔽套內(nèi)部的應(yīng)力得到松弛，在脹形后，轉(zhuǎn)子屏蔽套內(nèi)部的殘余應(yīng)力也可以得到消除[2-3]。

本文首先介紹了真空蠕變熱脹形的基本原理，然后通過開展轉(zhuǎn)子屏蔽套的真空蠕變熱脹形工藝實驗，證明采用真空蠕變熱脹形方法可以用于對焊接后的轉(zhuǎn)子屏蔽套進行誤差治理，使其滿足套裝前的高精度要求。

1 真空蠕變熱脹形的基本原理

真空蠕變熱脹形是專門針對薄壁筒形零件開發(fā)的精密成形技術(shù)，其基本原理如圖1所示。

圖1 真空蠕變熱脹形的原理Fig.1 Principle of vacuum creep hot bulge forming

采用熱膨脹系數(shù)較大的材料，通過精車和精磨工藝，加工成圓筒形模具，且下端帶有凸臺，用于支撐待脹形薄壁筒形工件。室溫下，工件套在模具外面，并坐于模具下端的凸臺上，將模具和工件一同放入真空熱處理爐內(nèi)加熱，隨著溫度的升高，由于模具的熱膨脹系數(shù)比工件大，在高溫下模具與工件發(fā)生接觸，并達到良好的貼模狀態(tài)，模具對工件產(chǎn)生熱膨脹力，根據(jù)材料的高溫軟化原理，材料的屈服強度下降，工件較薄，內(nèi)部應(yīng)力較大，達到了材料的屈服強度，工件內(nèi)部發(fā)生了塑性變形；而模具較厚，內(nèi)部應(yīng)力較小，沒有達到材料的屈服強度，只發(fā)生彈性變形。在保溫階段，根據(jù)材料的蠕變應(yīng)力松弛原理，工件內(nèi)部的彈性變形逐漸轉(zhuǎn)化成蠕變變形，工件內(nèi)部的應(yīng)力降低，在保溫足夠長時間后，工件內(nèi)部的應(yīng)力基本消除。在冷卻時，模具和工件冷卻收縮，由于模具熱膨脹系數(shù)大，模具收縮得快，一段時間后，模具與工件分離，當冷卻到室溫時，工件保留了永久的塑性變形和蠕變變形，而模具由于發(fā)生的是彈性變形回彈到了脹形前初始尺寸。

利用真空蠕變熱脹形技術(shù)對焊接后的轉(zhuǎn)子屏蔽套進行誤差治理的過程如圖2所示。首先通過精密車削和磨削工藝將模具加工成具有較高精度外表面的厚壁圓筒，其直徑精度為±0.02 mm，小于轉(zhuǎn)子屏蔽套的直徑公差±0.076 mm。在脹形前，由于焊接過程中轉(zhuǎn)子屏蔽套各處膨脹和收縮程度的不同，使得在轉(zhuǎn)子屏蔽套表面，特別是焊縫區(qū)域呈現(xiàn)出凹凸不平，難以達到套裝前的高精度要求。而在脹形后，不僅轉(zhuǎn)子屏蔽套自身的精度達到了要求的直徑公差，而且其內(nèi)徑也達到了套裝前的目標內(nèi)徑值。

圖2 轉(zhuǎn)子屏蔽套的真空蠕變熱脹形誤差治理Fig.2 Error control of rotor can by vacuum creep hot bulge forming

2 轉(zhuǎn)子屏蔽套真空蠕變熱脹形實驗

為了證明采用真空蠕變熱脹形技術(shù)可以對焊接后的轉(zhuǎn)子屏蔽套進行誤差治理，開展了轉(zhuǎn)子屏蔽套真空蠕變熱脹形實驗。

真空蠕變熱脹形實驗前，采用0.50 m m厚的Hastelloy C-276合金薄板經(jīng)過精密剪切和焊接工藝加工成3個轉(zhuǎn)子屏蔽套，屏蔽套的高度為480.00 mm，其真空蠕變脹形后的目標內(nèi)徑值為553.75 mm，要求焊接后的轉(zhuǎn)子屏蔽套內(nèi)徑與目標內(nèi)徑間為負偏差。模具的材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，模具的厚度為20.00 m m，高度為500.00 mm，下端帶有5.00 mm高的凸臺，其目標外徑值為552.00 mm，要求模具的外徑加工精度為±0.02 mm。

真空蠕變熱脹形實驗時，首先在室溫下，將組裝好的轉(zhuǎn)子屏蔽套和模具放入真空熱處理加熱爐，并座于爐內(nèi)載料臺的正中間，將轉(zhuǎn)子屏蔽套和模具經(jīng)一段時間加熱至真空蠕變熱脹形所需的溫度，然后保溫一段時間，最后爐冷至室溫。

真空蠕變熱脹形實驗后，為了科學(xué)地表征實驗結(jié)果，分別在轉(zhuǎn)子屏蔽套和模具的外表面從上至下等間距依次設(shè)置5個測量點（D1～D5），在真空蠕變熱脹形前后，依次測量這5個測量點處轉(zhuǎn)子屏蔽套的內(nèi)徑和模具的外徑。

表1給出了真空蠕變熱脹形前后轉(zhuǎn)子屏蔽套內(nèi)徑和模具外徑的測量結(jié)果，從表中可以看出，真空蠕變熱脹形前，3個轉(zhuǎn)子屏蔽套的內(nèi)徑均勻度較差，即轉(zhuǎn)子屏蔽套上5個測量點的內(nèi)徑測量值相差較大，3個轉(zhuǎn)子屏蔽套內(nèi)徑的最大偏差分別達到了0.23 mm、0.30 mm和0.33 mm，遠超出了工藝要求的直徑公差（±0.076 mm），而且3個轉(zhuǎn)子屏蔽套的內(nèi)徑距離目標內(nèi)徑均有很大的負偏差，最大負偏差達到0.82 mm。在脹形后，一方面，轉(zhuǎn)子屏蔽套都達到了很好的均勻度，3個屏蔽套內(nèi)徑的最大偏差僅有0.06 mm，滿足工藝要求的直徑公差；另一方面也可以看出與熱套裝前的目標內(nèi)徑553.75 mm相比較，3個轉(zhuǎn)子屏蔽套的最終內(nèi)徑與目標內(nèi)徑的偏差范圍為－0.04～0.06 mm，滿足要求的直徑公差范圍。

表1 真空蠕變熱脹形前后轉(zhuǎn)子屏蔽套的內(nèi)徑和模具的外徑Table1 Internal diameter of rotor can and external diameter of die before and after vacuum creep hot bulge forming

通過前面的模擬研究和實驗研究[4-5]可以得出真空蠕變熱脹形所能治理的轉(zhuǎn)子屏蔽套誤差范圍：直徑誤差：－1.50～-0.20 mm；周長誤差；－4.71～-0.63 mm。也就是說焊接后即使轉(zhuǎn)子屏蔽套各處的內(nèi)徑值相差較大，只要各處的內(nèi)徑值處于真空蠕變熱脹形工藝的脹形能力范圍內(nèi)，都可以通過真空蠕變熱脹形技術(shù)脹到近似相同的尺寸，滿足套裝前的高精度要求，且多次實驗表明真空蠕變熱脹形技術(shù)具有較高的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

此外，從表1中也可以看出，脹形前后，模具的外徑?jīng)]有發(fā)生變化，且模具外徑的均勻性以及距離目標外徑的偏差均滿足要求的精度，脹形模具可以重復(fù)利用。

通過脹形前后轉(zhuǎn)子屏蔽套的對比照片可以看出，脹形前轉(zhuǎn)子屏蔽套的圓整度較差，當轉(zhuǎn)子屏蔽套套在模具上時，在焊縫處有明顯的突起，而脹形后，轉(zhuǎn)子屏蔽套的圓整度較好，表面非常光滑，套在模具上后，轉(zhuǎn)子屏蔽套與模具間呈現(xiàn)出均勻的間隙。

3 結(jié)論

針對剪裁、焊接后轉(zhuǎn)子屏蔽套的精度很難達到套裝前高精度的難點，提出了采用精密真空蠕變熱脹形技術(shù)對焊接后的轉(zhuǎn)子屏蔽套進行誤差治理的方法，并對真空蠕變熱脹形的基本原理進行了詳細的介紹。

開展了真空蠕變熱脹形實驗，實驗結(jié)果表明，脹形后轉(zhuǎn)子屏蔽套的尺寸滿足實際工藝要求的直徑公差，因此，可以采用真空蠕變熱脹形方法對焊接后的轉(zhuǎn)子屏蔽套進行誤差治理，使其滿足套裝前的高精度要求。

實驗結(jié)果給出了真空蠕變熱脹形所能治理的轉(zhuǎn)子屏蔽套誤差范圍。

4 致謝

本論文工作得到了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973項目）資助（2009CB724307），在此表示感謝。

[1]關(guān)銳，高永軍. A P1000反應(yīng)堆主泵屏蔽套制造工藝淺析[J]. 中國核電，2008，1(1):49-53.（GUAN Rui，GAO Yong-jun. Brief analysis on fabrication process of AP1000 reactor coolant pump can[J]. China Nuclear Power，2008，1(1):49-53.）

[2]朱智，張立文，宋冠宇，等. Hastelloy C-276合金應(yīng)力松弛行為的研究[J]. 稀有金屬材料與工程，2012，41(4):697-700.（ZHU Zhi，ZHANG Liwen，SONG Guan-yu，et al. Study on stress relaxation behavior of Hastelloy C-276 alloy[J].Rare Metal Materials and Engineering，2012，41(4):697-700.）

[3]朱智，張立文，顧森東. Hastelloy C-276合金應(yīng)力松弛實驗及蠕變本構(gòu)方程[J]. 中國有色金屬學(xué)報，2012，22(4):1063-1067.（ZHU Zhi，ZHANG Liwen，GU Sen-dong. Stress relaxation test of Hastelloy C-276 alloy and its creep constitutive equation[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2012，22(4):1063-1067.）

[4]ZHU Zhi，ZHANG Li-wen，GU Sen-dong.Finite element simulation of vacuum hot bulge forming process of reactor coolant pump rotorcan[J]. Materials Science Forum，2011675-677:909-912.

[5]ZHU Zhi，ZHANG Li-wen，SONG Guan-yu，et al. Study on creep deformation of reactor coolant pump rotor-can during vacuum hot bulge forming process[J]. Advanced Materials Research，2011，189-193:2415-2420.

[6]張立文，朱智，雷明凱，等.一種核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套的真空熱脹形工藝[P].中國專利: ZL201010141235.4，2011-08-31.（ZHANG Li-wen，ZHU Zhi，LEI Ming-kai，et al. A vacuum hot bulge forming technique of reactor coolant pump rotor can[P].Chinese patent: ZL201010141235.4，2011-08-31.)