四種核電用包殼材料的微動磨損性能研究*

孟繁良 張 強 劉 彤 任啟森 李 銳 丁 原 蔡振兵

(1.中廣核研究院有限公司 廣東深圳 518000;2.西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所 四川成都 610031)

福島事故后，傳統(tǒng)的UO2-Zr體系的安全性受到廣泛的質(zhì)疑，事故容錯燃料(Accident-tolerant fuels,ATF)成為研究的焦點與熱點[1-2]。ATF包殼具有更優(yōu)異的高溫氧化性能，能夠從源頭上緩解或抑制事故的發(fā)生與發(fā)展[3-5]。燃料組件主要是由核燃料和包殼管組成。包殼管是核燃料的密封外殼，主要起隔離燃料芯體和冷卻劑、阻止裂變產(chǎn)物泄漏等作用[6]。所以，包殼材料的性能直接影響著核電站的經(jīng)濟安全性。

當(dāng)反應(yīng)堆運轉(zhuǎn)時，燃料棒通過包殼管在格架中夾持固定。在正常工作期間，包殼管內(nèi)壁要不斷承受裂變氣體壓力，同時還要承受高壓、高溫和強中子輻射[7-10]。在長期的交變應(yīng)力和輻照下，包殼管與格架連接處的剛凸容易發(fā)生松動，使得包殼管發(fā)生蠕動位移，進而發(fā)生微動磨損，影響反應(yīng)堆的正常運轉(zhuǎn)，嚴重的甚至?xí){到核燃料組件安全[11]。目前，國內(nèi)外針對核電用包殼材料的微動磨損行為展開了大量的研究。PETER[12]建立了包殼管微動磨損模型，研究了不同水流速對包殼管磨損程度的影響。LAZAREVIC等[13]研究了不同高溫水環(huán)境下的Zr-4合金的微動磨損性能，建立了考慮氧化和沖擊的微動模型。ZHANG等[14]研究了300 ℃高溫水環(huán)境下3種不同鋯合金的微動磨損行為，發(fā)現(xiàn)鋯合金主要發(fā)生了疲勞剝落和氧化磨損。目前大部分研究都集中在鋯合金上，實驗選材較為單一，無法就不同潛在的核電用材料的微動磨損性能進行橫向比較。本文作者對比研究了4種核電用包殼材料在干摩擦條件下的切向微動磨損特性，為后續(xù)包殼材料研究提供數(shù)據(jù)參考，具有一定工程和理論意義。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及制備

試驗采用管/柱正交配副，柱試樣采用的是規(guī)格φ10.5 mm×30 mm 的Inconel 718柱體，管試樣選用4種核電用包殼材料，分別是Zr合金、Zr/Cr涂層、FeCrAl和ODS-FeCrAl，其尺寸均為φ9.5 mm(外徑)×0.5 mm(壁厚)×30 mm(長)。表1中為試驗材料的元素含量。

表1 幾種試樣化學(xué)成分 單位：%

1.2 試驗設(shè)備和參數(shù)

試驗在自主研發(fā)的高精密切向微動磨損試驗機上進行，見圖1。

圖1 切向微動磨損實驗設(shè)備Fig 1 Tangential fretting wear tester

該實驗機主要由驅(qū)動裝置、加載裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，可實現(xiàn)不同位移、頻率、載荷的切向微動磨損試驗[15]。電機驅(qū)動推桿前移實現(xiàn)切向位移，柱試樣放在上夾具上，管試樣放在下夾具上，法向載荷通過砝碼加載。試驗過程中通過二維力傳感器實時監(jiān)測受力狀況，通過激光位移傳感器記錄位移情況?？紤]到實際工程應(yīng)用，測試材料表面未進行拋光處理。試驗前將樣品在乙醇溶液中超聲清洗并保存待用。試驗在常溫、干燥環(huán)境下進行，法向載荷為50 N、頻率為10 Hz、位移幅值為±20 μm，試驗時長分別為0.5、1、3、6、12、24 h。

試驗完成后使用光學(xué)顯微鏡(OM，型號：OLYMPUS-BX60M)對磨痕表面形貌進行觀察分析；采用三維光學(xué)表面形貌儀(型號：Contour GT X3)對磨痕表面形貌、輪廓、磨損體積和面積進行測量；采用掃描電子顯微鏡(SEM，型號：JSM-6610LV)對磨痕表面形貌進行分析；采用EDAD-7760/68M型能譜儀(EDS)測量磨痕表面的元素成分以探究其磨損機制。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 摩擦因數(shù)

摩擦因數(shù)曲線一般分為3個階段，分別是起始階段、上升階段和穩(wěn)定階段。在摩擦起始階段，樣品表面有易脫落的雜質(zhì)，摩擦因數(shù)也較低；隨著摩擦?xí)r間的增加，樣品表面的雜質(zhì)物質(zhì)減少，摩擦副與樣品的有效接觸逐漸增加，曲線呈上升趨勢；等到樣品表面雜質(zhì)完全摩除，摩擦曲線進入穩(wěn)定階段[16]。上述理論一般針對表面相對平整且接觸良好的對摩副，對于表面粗糙，接觸不良的對摩副并不一定嚴格按照上述階段進行。同時，摩擦因數(shù)是一個系統(tǒng)依賴性較強的參量，影響因素較多。

圖2示出了4種包殼材料的摩擦因數(shù)曲線。

圖2 4種包殼材料的的摩擦因數(shù)曲線Fig 2 Friction coefficient curves of four kinds of cladding materials

由圖2可知，4種包殼材料的摩擦因數(shù)曲線呈現(xiàn)3個階段的特征(上升、回落、穩(wěn)定)，穩(wěn)定階段持續(xù)20 h以上。不同材料表現(xiàn)出的摩擦因數(shù)具有較大差異，ODS-FeCrAl試樣的摩擦因數(shù)最低，約為0.75；Zr合金和Zr/Cr試樣的摩擦因數(shù)分別為1.2和1.5；FeCrAl試樣的摩擦因數(shù)最高，約為1.6。同時，可以看出，Zr合金試樣的摩擦因數(shù)在起始階段持續(xù)時間較短，說明其接觸狀態(tài)較好，較快地到達了上升、穩(wěn)定階段。

2.2 微動運行工況分析

切向力-位移(F-D)曲線能夠反映出微動運行最重要和最基本的信息[17-18]。根據(jù)大量實驗研究表明，F(xiàn)-D曲線只能呈現(xiàn)出3種基本類型，即平行四邊型、橢圓型以及直線型。圖3示出了4種包殼材料在不同試驗時長下的F-D曲線?？梢钥闯觯?dāng)位移幅值為±20 μm時，在不同試驗時長下4種包殼材料的F-D曲線均呈現(xiàn)為橢圓型或直線型，因此微動運行均處于部分滑移區(qū)。

耗散能是在摩擦過程中消耗的能量，主要用于摩擦化學(xué)轉(zhuǎn)變、磨屑的生成、轉(zhuǎn)移和摩擦熱等[19]，見表2。ODS-FeCrAl試樣的耗散能基本保持不變，在4種材料中最低；隨著時間增加，F(xiàn)eCrAl試樣的耗散能逐漸增加，整體高于其他3種材料；隨著時間增加，CZ2試樣的耗散能先增大再降低，CZ2/Cr試樣的耗散能整體降低，但存在一個波動。

圖3 4種包殼材料在不同試驗時長下的F-D曲線Fig 3 F-D curves of four kinds of cladding materials under different test time (a)0.5 h;(b)1 h;(c)3 h;(d)6 h;(e)12 h;(f)24 h

表2 4種包殼材料在不同試驗時長下

2.3 磨損形貌分析

圖4所示是4種包殼材料的光鏡圖。根據(jù)的微動運行狀態(tài)(見圖3)可知，4種材料的微動運行工況均處在部分滑移區(qū)，損傷較輕，磨痕呈帶狀或者橢圓狀。從圖4可以看出，隨著試驗時長的增加，磨痕面積增加，損傷程度增加；經(jīng)過24 h試驗后，Zr/Cr試樣磨痕表面出現(xiàn)了磨屑堆積。

圖4 包殼材料磨痕形貌Fig 4 Wear scar morphology of cladding materials (a)FeCrAl(1 h);(b)ODS-FeCrAl(1 h);(c)Zr alloy(1 h);(d)Zr/Cr (1 h);(e)FeCrAl(24 h);(f)ODS-FeCrAl(24 h);(g)Zr alloy(24 h);(h)Zr/Cr(24 h)

圖5—8示出了4種包殼材料經(jīng)過24 h微動磨損試驗后的磨痕微觀形貌。從圖5可以看出，F(xiàn)eCrAl試樣的磨痕呈帶狀分布，在磨痕中部可見明顯的犁溝及材料脫落，在磨痕邊緣可見明顯的磨屑堆積。ODS-FeCrAl與Inconel 718為非完全接觸，磨痕呈帶狀分布，在磨痕中部可見明顯的犁溝及材料脫落，在磨痕邊緣出現(xiàn)了塑性變形及材料堆疊，如圖6所示。Zr合金與Inconel 718為非完全接觸，磨痕較淺，呈帶狀分布，在磨痕中部可見犁溝，在磨痕邊緣也有犁溝及材料的轉(zhuǎn)移，如圖7所示。

圖5 FeCrAl材料磨痕微觀形貌(24 h)Fig 5 SEM images of FeCrAl material(24 h)

圖6 ODS-FeCrAl材料磨痕微觀形貌(24 h)Fig 6 SEM images of ODS-FeCrAl material(24 h)

圖7 Zr合金材料磨痕微觀形貌(24 h)Fig 7 SEM images of Zr alloy material(24 h)

由圖8可看出 Zr/Cr試樣整體磨痕較淺，呈現(xiàn)橢圓型，在磨痕中部出現(xiàn)犁溝，在磨痕邊緣出現(xiàn)塑性變形。元素含量測定結(jié)果表明，犁溝處的材料元素分布與原始材料元素分布相同，而磨痕中部犁溝邊緣處及磨痕邊緣處元素發(fā)生了變化，說明在磨痕中部出現(xiàn)了對磨副Inconel 718材料的粘附與堆疊，邊緣處也有材料的轉(zhuǎn)移。

總體而言，隨著試驗時長的增加，除Zr/Cr材料外，其他3種材料的磨痕基本呈帶狀分布。從磨痕微觀圖可以看出，4種包殼材料的微動磨損形式主要為磨粒磨損。開始試驗前，試樣表面較粗糙，試驗進行一段時間后，表面材料發(fā)生脫落，加重了磨損，在磨痕處可見清晰的犁溝。同時，在磨痕邊緣發(fā)生了材料的塑性變形與磨屑堆積。 CZ2/Cr試樣的磨痕分布更加均勻，磨痕形貌與CZ2合金相比較為平整，磨損相對較輕。

圖8 CZ2/Cr材料磨痕微觀形貌(24 h)Fig 8 SEM images of CZ2/Cr material(24 h)

不同試驗時長下的磨損三維形貌圖如圖9所示?？梢钥闯?，磨痕較淺，4種包殼材料均表現(xiàn)出較好的耐磨性。圖10所示4種包殼材料在不同試驗時長下磨痕的二維形貌。可以看出，磨痕近似呈“W”形，是部分滑移區(qū)的典型特征。隨著試驗時長的增加，磨痕寬度和深度增加，損傷程度增加。1 h試驗后，F(xiàn)eCrAl試樣的磨痕最深，為2.63 μm；Zr/Cr試樣的磨痕最淺，為1.08 μm。在24 h試驗后，各包殼材料磨痕都有不同程度加深。其中Zr/Cr試樣的磨痕深度增加幅度最小，約為3%；Zr合金試樣的磨痕深度增幅最大，達到了50%；FeCrAl和ODS-FeCrAl試樣的磨痕深度增幅基本在16%左右，F(xiàn)eCrAl試樣的磨痕深度仍然最深，為3.11 μm。相比CZ2試樣，CZ2/Cr試樣的磨痕也較淺，說明涂層具有較好的減磨特性。

圖9 包殼材料經(jīng)不同磨損工況后的三維形貌Fig 9 3D morphology of wear scar (a)FeCrAl(1 h);(b)ODS-FeCrAl(1 h);(c)Zr alloy(1 h);(d)Zr/Cr(1 h); (e)FeCrAl(24 h);(f)ODS-FeCrAl(24 h);(g)Zr alloy(24 h);(h)Zr/Cr(24 h)

圖10 不同磨損時間下包殼材料的磨痕輪廓Fig 10 Cross-sectional of wear scar at different wear time (a)1 h;(b) 24 h

圖11示出了4種包殼材料在不同試驗時長下的磨痕面積和磨損體積。隨著試驗時長的增加，除FeCrAl外，其他3種材料的磨痕面積和體積均增加。FeCrAl試樣的磨痕面積和體積經(jīng)歷了增長、減少、增長的過程。在第一階段，隨著試驗時長的增加FeCrAl試樣的磨損加重，導(dǎo)致磨痕面積和體積增加；在第二階段，由于FeCrAl試樣的磨痕部分發(fā)生了材料的轉(zhuǎn)移，表面有一部分剝落導(dǎo)致三維形貌測定的基準發(fā)生了變化。在3 h以前，4種包殼材料的磨痕面積和體積都有一個較快的升高，這是由于材料表面較為粗糙，在試驗初期，表面的雜質(zhì)和氧化層被迅速磨平，磨痕面積和體積顯著增大；在3 h后，磨損主要為磨粒磨損，出現(xiàn)了材料的剝落與轉(zhuǎn)移，磨損面積和體積逐漸增大。整體來看，Zr/Cr試樣的磨痕面積和磨損體積均低于Zr合金試樣，Zr/Cr試樣具有更好的耐磨性；相比于FeCrAl試樣，ODS-FeCrAl試樣的磨痕面積和磨損體積都較小，耐磨性更加優(yōu)異。

圖11 磨痕磨損面積和體積Fig 11 Wear area (a) and volume (b) of cladding materials

3 結(jié)論

(1)在設(shè)定工況下，4種包殼材料均處于部分滑移狀態(tài),ODS-FeCrAl材料的摩擦因數(shù)最低，F(xiàn)eCrAl材料的摩擦因數(shù)最高。

(2)4種包殼材料的磨損程度都較輕，耐磨性良好。磨損機制均為磨粒磨損，在磨痕中部可見清晰的犁溝及塑性變形，磨痕邊緣出現(xiàn)材料堆疊。

(3)FeCrAl與ODS-FeCrAl材料相比較，ODS-FeCrAl材料的磨損面積和體積均減小了50%以上，表明ODS-FeCrAl材料的耐磨性更好。

(4)相比于Zr合金材料，Zr/Cr材料的磨損面積和體積有明顯減小，表明沉積Cr涂層對材料的耐磨性有一定的增強。