劉飛，侯思平，黃騰飛

1.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518172

2.鑫精合激光科技發(fā)展（北京）有限公司，北京 102206

0 引言

核電廠循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)（Circulating Water Filtration System，CFI）的功能是過(guò)濾核電廠各功能系統(tǒng)所需的全部海水，包括循環(huán)水系統(tǒng)、重要廠用水系統(tǒng)、循環(huán)水處理系統(tǒng)以及輔助冷卻水系統(tǒng)用水。CFI沖洗水泵（以下簡(jiǎn)稱CFI泵）是核安全級(jí)別為RCC-M規(guī)范3級(jí)的低壓沖洗水泵［1］，工作時(shí)抽取重要廠用水系統(tǒng)公用管道中的海水，升壓后沖洗轉(zhuǎn)鼓式旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)，是實(shí)現(xiàn)CFI系統(tǒng)功能的關(guān)鍵設(shè)備之一。在核電廠運(yùn)行服役過(guò)程中，CFI泵蓋板長(zhǎng)期經(jīng)受海水沖刷侵蝕，表面會(huì)出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)損傷，若不及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，長(zhǎng)期累積后將存在破漏失效風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響電廠的安全運(yùn)行。

CFI泵蓋板的材質(zhì)為CuAl9Ni3Fe2鋁青銅合金，該材料導(dǎo)熱性好、線膨脹系數(shù)較大，采用傳統(tǒng)的焊條電弧焊方法進(jìn)行受損部位的焊接修復(fù)時(shí)，一旦熱輸入過(guò)大，易產(chǎn)生較大的焊接變形；同時(shí)在焊接冶金過(guò)程中，熔池表面易形成致密且難熔的Al2O3氧化膜，具有熔點(diǎn)高、硬度大、難以重熔分解的特點(diǎn)，往往導(dǎo)致修復(fù)金屬中出現(xiàn)氣孔、夾渣和未熔透等缺陷，需二次返工［2-4］。但是核電廠每次大修的時(shí)間窗口非常緊張，進(jìn)一步增加了高質(zhì)量修復(fù)的難度。因此開(kāi)發(fā)出一種效率更高、質(zhì)量更穩(wěn)定的CFI泵蓋板修復(fù)工藝十分必要。

增材制造技術(shù)是近些年迅猛發(fā)展的一種材料制造及修復(fù)的新型技術(shù)，若以熱源種類來(lái)區(qū)分，大致可分為高能束和電弧法兩大類，其中CMT增材制造技術(shù)屬于電弧法的一種。該技術(shù)是基于離散/堆積的成形原理，將目標(biāo)工件的實(shí)體模型通過(guò)軟件進(jìn)行2D分解，由電弧熔化金屬絲材，并沿著設(shè)定的成型路徑逐層熔敷沉積，最終堆積出實(shí)體零部件［5-7］。與其他增材制造方法相比，該技術(shù)具有熱輸入低、能量效率高、生產(chǎn)效率高、成形件致密度高、工件尺寸不限、性能穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也為CFI泵蓋板的修復(fù)提供了新的思路［8-10］。

鑒于此，本文基于CMT增材制造技術(shù)開(kāi)發(fā)出一套CuAl9Ni3Fe2鋁青銅合金的電弧增材修復(fù)工藝，并通過(guò)制備工藝試件及試驗(yàn)，對(duì)增材修復(fù)金屬的力學(xué)性能和組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步驗(yàn)證分析。

1 CuAl9Ni3Fe2鋁青銅合金CMT增材修復(fù)工藝開(kāi)發(fā)

CuAl9Ni3Fe2鋁青銅合金CMT增材修復(fù)的整個(gè)工藝開(kāi)發(fā)試驗(yàn)包括單層單道工藝試驗(yàn)、單層多道搭接工藝試驗(yàn)和多層多道工藝試驗(yàn)。

1.1 單層單道工藝試驗(yàn)

CMT增材修復(fù)工藝為一元化參數(shù)控制，即調(diào)節(jié)送絲速度，電流和電壓會(huì)根據(jù)增材設(shè)備中自帶的專家?guī)斐绦蜃詣?dòng)調(diào)整至與送絲速度相匹配的數(shù)值。單層單道工藝試驗(yàn)設(shè)置了不同的送絲速度和焊接速度的工藝參數(shù)組合，以研究其對(duì)增材外觀成形的影響，并結(jié)合增材成形試樣的金相檢驗(yàn)結(jié)果，初步篩選出了外觀成形較為優(yōu)良、熔敷金屬內(nèi)部無(wú)明顯缺陷的工藝參數(shù)組合。本試驗(yàn)中不同工藝參數(shù)組合所獲得的增材熔敷金屬外觀形貌如圖1所示，金相檢驗(yàn)照片如圖2所示。結(jié)合圖1、圖2可以看出，當(dāng)選用適中的工藝參數(shù)組合（送絲速度為6 800～7 200 mm/min、焊接速度為400～440 mm/min）時(shí)，熔道熔敷均勻連續(xù)，表面未出現(xiàn)皺縮、焊瘤、凹陷等缺陷，熔敷金屬內(nèi)部也未見(jiàn)氣孔、夾渣，增材熔敷成形質(zhì)量相對(duì)優(yōu)良。

圖1 不同工藝參數(shù)組合獲得的增材金屬外觀形貌Fig.1 Appearance of the additive metal obtained by different process parameters

圖2 不同工藝參數(shù)組合獲得的增材金屬金相照片F(xiàn)ig.2 Macroscopical photographs of the additive metal obtained by different process parameters

1.2 單層多道搭接工藝試驗(yàn)

基于單層單道試驗(yàn)確定的送絲速度和焊接速度參數(shù)區(qū)間，單層多道搭接工藝試驗(yàn)設(shè)置了不同的熔道搭接率（相鄰熔道的搭接量與前一熔道寬度的比值）來(lái)研究其對(duì)增材外觀成形的影響。通過(guò)調(diào)整焊槍的移動(dòng)軌跡來(lái)獲得不同的熔道搭接率，該試驗(yàn)共設(shè)置了30%、40%和50%三種搭接率。不同搭接率得到的增材熔敷試件外觀成形如圖3所示，可以看出，搭接率較低時(shí)，搭接處的金屬熔敷總量相對(duì)減小，整體高度會(huì)低于相鄰兩側(cè)熔道，成形外觀會(huì)顯現(xiàn)溝狀，導(dǎo)致表面平整度差；搭接率過(guò)高時(shí)，搭接處的金屬熔敷總量增多，整體高度會(huì)高于相鄰兩側(cè)熔道，熔敷時(shí)金屬液會(huì)向兩側(cè)流淌，同樣會(huì)導(dǎo)致成形表面不平整。相較而言，當(dāng)搭接率為40%時(shí)熔道雖然在即將結(jié)束熔敷前由于行走速度加快導(dǎo)致局部成形不良，但其他區(qū)域外觀成形更為平整、美觀。

圖3 不同搭接率的單層多道成形試件外觀形貌Fig.3 Macroscopical photographs of the additive metal obtained by different lap rates

1.3 多層多道工藝試驗(yàn)

在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上，多層多道工藝試驗(yàn)采用不同的去應(yīng)力退火制度對(duì)試件進(jìn)行熱處理，結(jié)合增材成形試樣的室溫拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1），經(jīng)對(duì)比篩選，最終確定并固化了一套CuAl9Ni3Fe2材料的CMT增材修復(fù)工藝參數(shù)（見(jiàn)表2）。

表1 不同去應(yīng)力退火制度下的增材金屬拉伸性能Table 1 Tensile properties of additive metal under different stressrelieving annealing systems

表2 CMT增材修復(fù)工藝關(guān)鍵參數(shù)Table 2 Key parameters of CMT arc additive repair procedure

2 CuAl9Ni3Fe2鋁青銅合金CMT增材修復(fù)工藝驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 工藝驗(yàn)證試驗(yàn)要求

CuAl9Ni3Fe2材料的CMT增材修復(fù)工藝參數(shù)固化后，在正式應(yīng)用于CFI泵蓋板修復(fù)之前，應(yīng)進(jìn)行工藝驗(yàn)證試驗(yàn)，以確保使用該工藝獲得的增材修復(fù)金屬的力學(xué)性能、化學(xué)成分等滿足設(shè)計(jì)要求。

考慮到CMT增材修復(fù)技術(shù)特點(diǎn)，增材熔敷過(guò)程采用電弧熔化金屬絲材、通過(guò)焊槍移動(dòng)來(lái)完成金屬的熔敷堆積，從廣義上仍歸屬于焊接范疇。而且部件的增材修復(fù)實(shí)質(zhì)上是材料的同質(zhì)堆焊，通過(guò)修補(bǔ)的方式恢復(fù)受損部件的結(jié)構(gòu)和功能。因此，借鑒成熟的核電工業(yè)實(shí)踐，參考RCC-M規(guī)范中對(duì)鑄鋼件的補(bǔ)焊工藝評(píng)定試驗(yàn)要求，制訂了CuAl9Ni3Fe2鋁青銅合金的CMT增材修復(fù)工藝驗(yàn)證試驗(yàn)要求（見(jiàn)表3），包括試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)收準(zhǔn)則。

表3 工藝驗(yàn)證試驗(yàn)項(xiàng)目、標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)收準(zhǔn)則Table 3 Tests，standard and acceptance criteria of procedure validation

2.2 工藝驗(yàn)證試件的制備

2.2.1 試驗(yàn)材料

試件母材選用與CFI泵蓋板同材質(zhì)的CuAl9Ni 3Fe2板材，尺寸為600 mm×400 mm×60 mm，其室溫條件下的力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)NF EN 1982—2008的要求，如表4所示。金屬絲材采用滿足GB/T 9460—2008要求的SCu6327型鋁青銅焊絲，直徑1.2 mm。CuAl9Ni3Fe2板材及焊絲的化學(xué)成分如表5所示。

表4 CuAl9Ni3Fe2板材力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of CuAl9Ni3Fe2 plate

表5 CuAl9Ni3Fe2板材及焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 5 Chemical composition of CuAl9Ni3Fe2 plate and wire（wt.%）

2.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用TSC-ARC4600增材制造及修復(fù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由CMT專用焊接電源、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、送絲機(jī)構(gòu)和雙軸變位機(jī)等組成，并配置了電弧路徑剖分軟件，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化增材修復(fù)工作。

2.2.3 坡口形式及工藝參數(shù)

在工藝驗(yàn)證試件板材一側(cè)開(kāi)槽制備待增材修復(fù)坡口，坡口深36 mm、底部寬15 mm、斜邊角度30°±5°，詳細(xì)坡口形式見(jiàn)圖4。采用表2中固化的CMT增材修復(fù)工藝，完成了工藝驗(yàn)證試件的修復(fù)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 外觀成形

試件增材修復(fù)后的外觀如圖5所示?？梢钥闯觯霾男迯?fù)金屬外觀成形優(yōu)良，熔道寬度基本一致，熔敷層平整均勻，表面不存在氣孔、裂紋、飛濺等缺陷。此外，增材熔敷區(qū)域按表3標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了射線檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，檢驗(yàn)結(jié)果合格。

圖5 工藝驗(yàn)證試件的外觀形貌Fig.5 Appearance of procedure validation test coupon

2.3.2 微觀組織

增材修復(fù)金屬的微觀組織形貌如圖6、圖7所示。其中，圖6為yoz截面增材熔敷金屬的微觀組織形貌，該區(qū)域主要由外延連續(xù)生長(zhǎng)的柱狀晶組成，并且存在明顯的二次枝晶。圖7為xoz截面的微觀組織形貌，圖中BM區(qū)域?yàn)镃uAl9Ni3Fe2鋁青銅合金母材，其微觀組織主要由粗大的α-Cu晶粒和黑色的馬氏體組織構(gòu)成；HAZ區(qū)域?yàn)槟覆呐c增材修復(fù)金屬間的結(jié)合過(guò)渡區(qū)，由于晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成了β相；WM區(qū)域?yàn)樵霾男迯?fù)金屬，可觀察到發(fā)達(dá)的柱狀枝晶和明顯的二次枝晶，主要由α相和κ相沉淀組成?？偟膩?lái)說(shuō)，試件的微觀金相組織并未發(fā)現(xiàn)異常，同時(shí)從圖6、圖7中也能看出，增材修復(fù)金屬不存在明顯的裂紋、氣孔、夾渣或熔合不良等缺陷，且與母材結(jié)合緊密。

圖6 工藝驗(yàn)證試件微觀組織形貌（yoz截面）Fig.6 Microstructure morphology of procedure validation test coupon-yoz section

圖7 工藝評(píng)定試件微觀組織形貌（xoz截面）Fig.7 Microstructure morphology of procedure validation test coupon-xoz section

2.3.3 拉伸性能

工藝驗(yàn)證試件共切取了三個(gè)室溫拉伸試樣，采用尺寸為5 mm×2 mm×56 mm的板狀非標(biāo)試樣，其中試樣1、2為橫向拉伸試樣，試樣均包含增材修復(fù)金屬和鄰近母材，但取樣深度不同（試樣1取自距試件熔敷側(cè)上表面10 mm的位置，試樣2取自距試件熔敷側(cè)上表面30 mm的位置）；試樣3為縱向拉伸試樣，沿著增材修復(fù)區(qū)域長(zhǎng)度方向切取，為純?cè)霾男迯?fù)金屬試樣。三個(gè)試樣的室溫拉伸性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。可以看出，三個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后延伸率與試件母材的實(shí)測(cè)數(shù)值相當(dāng)，均大于母材最小規(guī)定值，如圖8所示，試驗(yàn)結(jié)果滿足表3的驗(yàn)收準(zhǔn)則。同時(shí)，三個(gè)試樣的性能數(shù)據(jù)基本一致，表明了增材修復(fù)金屬熔敷均勻，各向拉伸性能差異較小。

表6 工藝評(píng)定試件的室溫拉伸性能Table 6 Room temperature tensile properties of procedure validation test coupon

圖8 室溫拉伸性能對(duì)比Fig.8 Comparison of room temperature tensile properties

2.3.4 沖擊韌性

工藝驗(yàn)證試件共切取了兩組室溫沖擊試樣，每組包括三個(gè)試樣，一組試樣取自增材修復(fù)金屬與母材結(jié)合的過(guò)渡區(qū)域，一組取自增材修復(fù)區(qū)域。試樣采用V型缺口，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。由表可知，過(guò)渡區(qū)域三個(gè)試樣的室溫沖擊功分別為92 J、84 J、86 J，增材修復(fù)區(qū)域三個(gè)試樣的室溫沖擊功分別為78 J、95 J、81 J，均大于試件母材的最小規(guī)定值（60J），如圖9所示，試驗(yàn)結(jié)果滿足表3的驗(yàn)收準(zhǔn)則，表明增材修復(fù)后試件的沖擊韌性不低于母材。

表7 工藝驗(yàn)證試件的室溫沖擊功Table 7 Room temperature impact toughness of procedure validation test coupon

圖9 室溫沖擊功對(duì)比Fig.9 Comparison of room temperature impact toughness

2.3.5 彎曲性能

工藝驗(yàn)證試件共切取了三個(gè)面彎試樣，試樣包括母材、增材修復(fù)金屬以及過(guò)渡區(qū)，試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表8?？梢钥闯觯齻€(gè)試樣彎曲180°后，表面無(wú)可見(jiàn)裂紋，試驗(yàn)結(jié)果滿足表3的驗(yàn)收準(zhǔn)則。結(jié)合工藝驗(yàn)證試件的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果，表明了增材修復(fù)后試件具有良好的塑性。

表8 工藝驗(yàn)證試件的彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Bends test results of procedure validation test coupon

2.3.6 硬度

硬度測(cè)量范圍包括母材區(qū)、增材修復(fù)區(qū)和過(guò)渡區(qū)，每個(gè)區(qū)域選取3個(gè)點(diǎn)來(lái)測(cè)量其布氏硬度值，選取的測(cè)量標(biāo)尺為HBW2.5/62.5，測(cè)量結(jié)果詳見(jiàn)表9。可以看出，測(cè)得的硬度值均大于試件母材的標(biāo)準(zhǔn)要求值（130 HB），各區(qū)域的硬度數(shù)值波動(dòng)較小，如圖10所示，從母材區(qū)、過(guò)渡區(qū)至增材修復(fù)區(qū)硬度值有平緩增大的趨勢(shì)，主要是不同區(qū)域金屬組織存在差別。

表9 工藝驗(yàn)證試件的布氏硬度測(cè)量值Table 9 Brinell hardness of procedure validation test coupon

圖10 布氏硬度測(cè)量值Fig.10 Brinell hardness measurement result curve

2.3.7 增材修復(fù)金屬的化學(xué)成分

對(duì)增材修復(fù)金屬取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表10所示，主要元素的含量與焊絲相應(yīng)元素含量相近，這與CMT增材修復(fù)工藝的特性相關(guān)，增材熔敷時(shí)采用惰性氣體進(jìn)行熔池保護(hù)，元素氧化燒損量較小。

表10 增材修復(fù)金屬的主要元素化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 10 Chemical compositions of main elements in additive repair metal（wt.%）

3 結(jié)論

針對(duì)CFI泵蓋板因海水沖蝕而破損失效的問(wèn)題，通過(guò)進(jìn)行單層單道工藝試驗(yàn)、單層多道搭接工藝試驗(yàn)和多層多道工藝試驗(yàn)開(kāi)發(fā)研究，獲得了一套CuAl9Ni3Fe2鋁青銅合金的CMT增材修復(fù)工藝，并通過(guò)一系列檢驗(yàn)、試驗(yàn)初步驗(yàn)證了增材修復(fù)金屬的力學(xué)性能和組織結(jié)構(gòu)，得出以下結(jié)論：

（1）CMT增材修復(fù)技術(shù)廣義上仍屬于焊接范疇，參照核電設(shè)備的設(shè)計(jì)規(guī)范以及成熟的焊接制造經(jīng)驗(yàn)，制定的CuAl9Ni3Fe2鋁青銅合金的CMT增材修復(fù)工藝驗(yàn)證試驗(yàn)要求是合理可行的。

（2）采用研發(fā)的CMT增材修復(fù)工藝所制備的工藝試件，增材修復(fù)金屬的力學(xué)性能與試件母材相當(dāng)，且具有良好的沖擊韌性和塑性；增材修復(fù)金屬的外觀成形優(yōu)良，與試件母材結(jié)合牢固，主要元素化學(xué)成分與試件母材相近，微觀組織主要由α相和κ相沉淀組成。

綜上所述，開(kāi)發(fā)的CuAl9Ni3Fe2鋁青銅合金的CMT增材修復(fù)工藝經(jīng)驗(yàn)證合理可行，可用于CFI泵蓋板的損傷修復(fù)，同時(shí)也可拓展用于同類材質(zhì)設(shè)備部件的增材制造及修復(fù)。然而，考慮到該CMT增材修復(fù)工藝是基于特定的鋁青銅材質(zhì)、試件形式等條件下通過(guò)試驗(yàn)獲得，在拓展應(yīng)用時(shí)（比如大尺寸構(gòu)件的增材制造）需對(duì)工藝的適應(yīng)性開(kāi)展進(jìn)一步的驗(yàn)證。