控制棒驱动机构耐压壳体定位面喷涂工艺研究

唐 源 李 维 于耀华 吴伟建 邓 强 吴 昊 唐健凯 付国忠

（1.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都610213；2.上海第一机床厂有限公司，中国 上海201308）

0 引言

控制棒驱动机构作为反应堆的伺服机构，起着反应堆启堆、功率调节、停堆和事故工况下的紧急停堆的作用，长期运行情况下均需要进行定期检修。 而耐压壳体作为一回路边界。 其通过定位面和管座直接接触，长期使用工况下，易发生粘咬，为避免密封壳和管座连接处装拆过程中出现粘咬而引发的机构安装、 维修困难，经过相关技术研究，控制棒驱动机构密封壳拟采用抗粘咬技术：除在梯形螺纹上有镀层以外，还在两个圆柱定位面上要求喷涂CrNi/CrC 涂层。工程经验表明，该涂层可以有效防止耐压壳体在装拆过程中粘咬， 便于拆卸，保证控制棒驱动机构装拆安全无损。

本文通过两种热喷涂方法下不同工艺参数对比试验，研究不同工艺路线下，其定位面涂层的性能。

1 热喷涂技术简介

热喷涂技术将某种粉末材料在不同的热源 （如电弧，离子弧或燃烧的火焰等）下进行加热至溶化，然后在高速气流的带动下形成很细小的熔滴，熔滴进而喷射到基体表面，最后形成具有耐腐蚀、耐热耐磨抗氧化等综合性能良好的具有防护基体材料的涂层技术[1]。 其具有喷涂材料范围广、调节方便、适应性强、喷涂气氛易控、涂层结合力强、气孔率可调等优点，可以使基体表面达到耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。

超音速火焰喷涂和等离子喷涂作为热喷涂技术两个重要的技术，在材料表面改性中有着较大的应用。

1.1 超音速火焰喷涂

超音速火焰喷涂是将某种燃气或某种液体燃料与氧气在燃烧室内混合燃烧， 通过燃烧火焰产生的高压高速焰流将需要喷涂的材料加热加速喷射到基体表面形成涂层的一项表面改性技术[2]。 超音速火焰喷涂基于超音速喷管的原理， 产生高速的燃气流1500～2000m/s（＞5 马赫），加速粒子，获得高速的粒子流600～1000m/s，颗粒撞击到基体表面会更加平展， 获得结合强度高（＞70MPa）、致密组织（空隙率小于1%）涂层。 超音速火焰喷涂焰流温度在2600 ～3200 ℃，尤其适合碳化物金属陶瓷涂层的喷涂制备。

图1 超音速火焰喷涂示意图

1.2 等离子喷涂

等离子喷涂技术采用直流电驱动的等离子气体作为热源，将陶瓷、合金、金属等粉末材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法[3]。 这种喷涂方法的焰流温度高（焰心3200K），速度较大（400m/s ～600m/s），效率高，制备高熔点的金属涂层和陶瓷涂层有很大的优越性。

图2 等离子喷涂

近些年来，等离子喷涂技术有了飞速的发展，已开发出高能粒子喷涂、低压（真空）等离子喷涂、水稳等离子喷涂，超音速等离子喷涂、计算机控制的等离子喷涂设备，以及一系列的喷涂材料，这些新技术在工业生产中应用日益显示出优越性和重要性。

根据上述喷涂技术工艺特点， 采用等离子喷涂（APS）和超音速火焰喷涂（HVOF），并分析涂层性能和进行对比。

2 两种喷涂工艺涂层试样制备及性能对比

2.1 超音速火焰喷涂（HVOF）

2.1.1 工艺参数通过调节喷涂参数针对涂层的硬度、孔隙率等性能进行优化实验，可调节的喷涂参数氧气流量、煤油流量。

2.1.2 涂层性能对比

喷涂参数中氧气煤油的流量对涂层的性能影响非常大， 要得到优质涂层必须保证喷涂粉的充分家人和加速，氧气流量的增加一般会带来喷涂焰流速度的提升，煤油流量的增加会增加焰流的热值，同时对焰流速度也有影响， 通过进行针对9 组样本的涂层进行硬度、孔隙率和沉积效率进行对比，结果如图4 所示：

图3 超音速火焰喷涂涂层硬度、孔隙率和沉积效率对比

上图中a）、b）和c）分别反映了三种氧气流量和三种煤油流量下，涂层的硬度、孔隙率和沉积效率对比。 由图a）可以看出，随着氧气流量和煤油流量的增加。 涂层硬度有所提高，随着煤油流量和氧气流量到一定程度，硬度增加幅度变化较小。

由图b）可以看出，随着氧气流量增加，孔隙率逐渐减小，随着煤油流量增加孔隙率逐渐减小到逐渐变缓。

由图c）可以看出，随着氧气流量增加，沉积效率逐渐增加，随着氧气流量增加孔沉积效率变化逐渐变缓。

2.2 等离子喷涂

2.2.1 等离子喷涂工艺实验

通过调节喷涂参数针对涂层的硬度、孔隙率等性能进行优化实验，对于等离子喷涂来说可调节参数有氩气流量、氢气流量等。

2.2.2 等离子喷涂涂层性能

喷涂参数中氩气和氢气的流量直接决定了颗粒的受热和加速情况，氩气流量确保焰流的稳定，并提供等离子体电离基础，氢气时双原子分子，其电离 获得的能量巨大，且易于将能量进行有效的传导，所以喷涂粉的加热具有更大的贡献。

图4 等离子喷涂涂层硬度、孔隙率和沉积效率对比

通过上图中a）、b）和c）可以知道，氩气、氢气流量对喷涂粉的加热加速直接影响着涂层的硬度，由图a）可知，随着氩气流量增大时，涂层硬度和沉积效率均最低。随着氢气流量增加，硬度逐渐减小，孔隙率降低，沉积效率变差。

氢气流量、氩气流量对涂层孔隙率影响主要见图b)，由图中可以看出，随着氩气流量增加，孔隙率逐渐变小；随着氢气流量增加，孔隙率逐渐变大，氢气流量较低时，对孔隙率影响较小。

氢气流量、氩气流量对涂层孔隙率影响主要见图c)，由图中可以看出， 随着氩气流量增加， 沉积效率逐渐变高；随着氢气流量增加，沉积效率逐渐变低，氢气流量较低时，对沉积效率影响较小。

3 等离子喷涂和超音速喷涂结果对比

3.1 结合强度

利用FM1000 型粘接剂对喷涂试样块涂层进行在粘接，可利用GP-TS2000M 万能试验机进行拉伸力检测其结合强度，试块涂层结合强度测量机对比结果如图5 所示，测量结果表示， 等离子喷涂CrNi/CrC 涂层的结合强度数据离散度相对较大，平均值为35MPa，而超音速火焰喷涂CrNi/CrC 涂层结合强度数据相对较优，平均值为88MPa。

图5 试块涂层结合强度及对比结果

3.2 显微硬度

使用喷涂试验样块横截剖面制作试样，经抛磨后检测涂层的纤维硬度。 测量结果表示， 等离子喷涂CrNi/CrC 涂层的显微硬度相对较低，平均值为Hv687.6，超音速火焰喷涂CrNi/CrC 涂层的显微硬度数据有明显提高，平均值为Hv915.6。

图6 超音速火焰喷涂和等离子喷涂试样性能对比

3.3 涂层孔隙率及显微组织

图7 等离子喷涂涂层孔隙形貌和污染面貌

图8 等超音速火焰涂层孔隙形貌和污染面貌

沿涂层和基体的法向切开，利用光学显微镜针对显微组织进行检测，结果图8 所示，结果表明，等离子喷涂涂层孔隙率小于8%， 而超音速火焰喷涂涂层孔隙率则小于1%，超音速火焰喷涂涂层更为致密。

4 结论

1）分别采用不同工艺参数下等离子喷涂技术和超音速火焰喷涂技术制备了CrNi/CrC 符合涂层， 涂层与基体结合良好，结果表明由对比分析可知，涂层性能与工艺参数直接相关。

2）超音速火焰喷涂涂层综合优于等离子喷涂涂层性能， 超音速火焰喷涂涂层的结合强度和显微硬度与等离子涂层相比，分别提高了150%和33%。

3）超音速火焰喷涂涂层的孔隙率仅为等离子喷涂涂层的1/8