热等静压技术制造的核主泵屏蔽电机推力盘的性能分析

秦 斌　李雅范　曲兆国（哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江　哈尔滨　150066）



热等静压技术制造的核主泵屏蔽电机推力盘的性能分析

秦 斌李雅范曲兆国
（哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150066）

摘要：采用热等静压技术制造的推力盘，其表面层硬度值高于50HRC且分布均匀，表面质量良好，表面残余应力为压应力，结合界面实现了良好的冶金结合。

关键词：热等静压技术；核主泵；屏蔽电机；推力盘

1 引言

推力盘是核主泵屏蔽电机中的重要部件，其与石墨瓦块组成轴承的摩擦配对副，从设计角度来考虑，要求推力盘的工作面必须具备耐磨的特点。单一材料的性能难以满足推力盘工作面耐磨的要求，通常采用在锻件上堆敷一层硬质合金粉末来实现耐磨的技术要求。常规屏蔽电机的推力盘是采用堆焊法来制造的，但堆焊法存在热影响区大、堆焊层硬度不均匀且易开裂的缺点，不适合用于制造对于大尺寸的推力盘。对于三代核主泵屏蔽电机用大尺寸推力盘，通过技术引进拟采用热等静压新技术来制造。但在技术引进中，缺少热等静压技术制造的推力盘的性能分析数据，不利于核主泵屏蔽电机的国产化设计和制造。本文完成了热等静压技术制造的推力盘的性能分析，对核主泵屏蔽电机的国产化可起到促进作用。

2 试验过程及讨论

采用N06600镍基合金锻件和Stellite12钴基粉末为原料，在100MPa、1130℃的热等静压工艺参数下，试制核主泵推力盘不同尺寸的模拟件，并对模拟件进行检测，获得了表面硬度、表面质量、残余应力、界面力学性能和和界面冶金性能的数据。

2.1 表面硬度。表面硬度是推力盘的主要设计指标。对制造的φ600、φ960、φ1080不同直径的推力盘模拟件进行了洛氏硬度试验，试验按照ASTM A370进行。试验结果显示，表面硬度值高于50HRC，且硬度值分布均匀。

2.2 表面质量。采用目视和表面液体渗透探伤的方法对上述所有推力盘模拟件的表面质量进行检测，没有发现气孔、裂纹等缺陷，表面质量优于堆焊制造的小尺寸推力盘。

2.3 残余应力。在热等静压过程中，推力盘的粉末和锻件的热膨胀系数不同，且在高压的环境下成型，因此热等静压后推力盘的表面会有残余应力存在。压应力会提高耐磨性能，拉应力会降低耐磨性能，所以有必要对推力盘表面的残余应力状态进行分析。残余应力的测试通过解剖φ600模拟件进行，测试采用盲孔法。测试采用的主要参数有：A系数0.07255； B系数0.1512；弹性模量207GPa；附加应变-39με。图1为测试分布示意图。左侧图中的1～5#平台为Stellite 钴基合金，6#平台为镍基合金，且5#平台钴基层厚度约1.2mm，测试的残余应力同时包含钴基合金、镍基合金及其界面。右侧图中的3-1、5-1、5-2、6-1、6-2为热处理前测量的5个点，3-1*、5-1*、5-2*、6-1*、6-2*为热处理后相似位置的5个点，其中3-1和3-1*的对比可以看出热处理对钴基合金的影响，5-1、5-2和5-1*、5-2*的对比反应了热处理对界面残余应力的影响，6-1、6-2和6-1*、6-2*的对比可以看出热处理对镍基合金的影响。测试结果显示，热等静压后的推力盘在表面至接近界面深度处，表现为压应力；在经过热处理后，在其表面至接近界面深度处仍为压应力。

2.4 硬质合金粉末层力学性能。解剖φ600模拟件后取样进行硬质合金粉末层力学性能的测试，测试显示抗拉强度为1407MPa，屈服强度为1105MPa，抗弯强度为1735MPa，断裂韧性为23 MPa·m1/2。测试结果显示硬质合金层能承受很大的拉力，粉末颗粒与粉末颗粒之间实现了良好的结合。

2.5 接头拉伸试验。接头拉伸性能是热等静压扩散连接的一个重要参数。从φ600模拟件上切取4个小拉伸试样，按GB/T228进行拉伸试验，测试的抗拉强度平均值为434MPa。测试结果显示经过热等静压处理后，锻件与粉末的结合层能承受较大的拉力，结合效果很好。

2.6 界面微观检测。对界面处及其附近进行扫描电镜及能谱微观检测，分析元素扩散情况，如图2所示，扩散区宽度为60μm左右，钴基层与镍基合金界面过渡层中发生了合金元素的扩散迁移，界面实现了良好的冶金结合。

结语

（1）热等静压技术制造的推力盘的表面硬度在50HRC以上，且硬度值分布均匀；（2）热等静压技术制造的推力盘的表面质量良好；（3）热等静压技术制造的推力盘的表面残余应力为压应力，有利于推力盘耐磨的设计要求；（4）热等静压技术制造的推力盘的粉末与粉末之间、粉末层与锻件结合层都实现了良好的结合；（5）热等静压技术制造的推力盘的界面结合层实现了良好的冶金结合。

参考文献

[1]孟繁东.核主泵屏蔽电机温度场分析与研究[D].哈尔滨理工大学，2013.

中图分类号：TF124

文献标识码：A