核電蒸汽發(fā)生器690合金換熱管電鍍硬鉻的性能研究

劉蔚 ，鐘強 ，錢炯 ，蔡志剛 ，孟凡江，矯明，蘇誠 ，王寶順 ，閆生志，王紅斌，張春芬 ，曹萍

（1.浙江久立特材科技股份有限公司浙江省核電用高性能管材成形工程技術(shù)研究中心，浙江 湖州 313028；2.久立研究院久立特種合金材料腐蝕與防護(hù)國際科技合作基地，浙江 湖州 313028；3.上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233）

在大型先進(jìn)壓水堆核電站中，核電蒸汽發(fā)生器690換熱管是熱能傳遞的重要部件，它將一回路中的熱量以熱交換的形式傳遞到二回路中，二回路中的液態(tài)水受熱蒸發(fā)而形成大量水蒸氣，推動發(fā)電機發(fā)電。二回路中液態(tài)水氣化過程伴隨大量氣流擾動，使換熱管發(fā)生振動，因而抗振條、支撐板與換熱管之間的微動磨損無法避免。這種磨損會使換熱管的管壁減薄，壽命大大縮短，提前失效甚至引發(fā)爆裂事故，嚴(yán)重影響整個核動力系統(tǒng)的安全可靠性[1-3]。蒸汽發(fā)生器傳熱管為690鎳基耐蝕合金材質(zhì)，為了改善其外表面的抗磨損性能，人們嘗試了不同的外表面處理技術(shù)[1]。

然而，大部分表面硬化方法都不適用于核電蒸汽發(fā)生器690合金管道。首先，為了保證690合金管具有滿足使用要求的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，其冷加工工藝、熱處理工藝都有明確的技術(shù)要求，合金性能在表面處理過程中不得改變；其次，690合金管很長，一些表面處理工藝需要在真空或保護(hù)氣氛下進(jìn)行，對設(shè)備的要求太高，而且要考慮圓周方向硬化層的均勻性。相對而言，電鍍工藝操作簡單，鍍層一般具有較好的耐磨性、耐蝕性和結(jié)合力[4-6]，鍍后無需熱處理，對合金基體組織結(jié)構(gòu)的影響小，工藝成熟，具備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的可能。

但690合金電鍍也存在一些問題。鎳基耐蝕合金表面存在初始鈍化膜，這層膜可能會影響鍍層與基體之間的結(jié)合力。690合金直管在熱處理后還將進(jìn)行U形彎折和脹管等工序，鍍層很可能因為脆性高而開裂。鍍層厚度不同，其承受下壓力時的抗變形能力也不同。目前這方面的研究報道較少，限制了該工藝的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)。本文采用工業(yè)化加工設(shè)備對690合金管表面電鍍鉻，分析了電鍍鉻層的特性，指出了該技術(shù)在工程化應(yīng)用過程中存在的問題，以探索未來690合金管電鍍鉻的可行性。

1 實驗

基體為浙江久立特材科技股份有限公司生產(chǎn)的690合金管，其組成(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)為：Ni≥58.0%，C≤0.025%，Si≤0.40%，Mn≤0.35%，F(xiàn)e≤11.0%，Cr 28.0% ～ 32.0%，P≤0.015%，S≤0.003%。電鍍硬鉻硬化層由南通申海工業(yè)科技有限公司進(jìn)行制備。

采用針對不銹鋼基體材料的專用電鍍工藝，電流密度選擇30、50和70 A/dm2，并考察了200 °C低溫烘烤3 h對鍍層脆性的影響。

根據(jù)GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，采用VD545數(shù)顯顯微維氏硬度計測量鍍層的截面硬度和表面硬度，采用432VD磚塔顯微維氏硬度計測量鍍層的表面穿刺硬度，實驗中因為不同的測試需要，采用了不同規(guī)格的壓頭和下壓力。

結(jié)合力測試采用了百格法、壓痕法和磨鋸試驗。其中，百格法和磨鋸試驗參考GB/T 5270-2005《金屬基體上的金屬覆蓋層 電沉積和化學(xué)沉積層 附著強度測試方法評述》。壓痕法參考文獻(xiàn)[7]，先借助432VD磚塔顯微維氏硬度計以98 N的下壓力由壓頭將鍍層刺破，再觀察壓痕邊緣鍍層的開裂和脫落情況。

采用蔡司Axio Imager M2m光學(xué)顯微鏡觀察鍍層表面、截面和壓痕的形貌。

2 結(jié)果與討論

2. 1 電鍍鉻層的形貌

從圖1可知，當(dāng)電流密度為30 A/dm2時，鍍態(tài)鉻層表面較平整，有少量圓形凸起和溝壑，以及一些不規(guī)則的裂紋。隨著電流密度的增大，鍍態(tài)鉻層表面的球狀顆粒增加并增大，裂紋加寬。烘烤后，鉻層表面形貌無明顯差別，但裂紋現(xiàn)象加重。

圖1 烘烤前后電鍍鉻層的表面形貌Figure 1 Surface morphologies of electroplated chromium coatings before and after being baked

如圖2所示，對鍍層的截面進(jìn)行觀察，并測量鍍層的大致厚度，結(jié)果列于表1。由于截面觀察無法標(biāo)定所有位置的鍍層厚度，實際觀測結(jié)果僅可作為初步分析的依據(jù)?？梢钥吹?，提高電流密度可以增大鍍層厚度，低溫烘烤后鍍層厚度基本不變。鍍層中存在明顯的縱向裂紋，且裂紋隨鍍層厚度增大而增多。不同位置的鍍層厚度偏差較大，這主要與電鍍過程中電流密度分布不均有關(guān)。雖然金屬管表面是恒電位，但溶液中不同位置的電位梯度不同，導(dǎo)致不同位置分布的電流密度存在差異。若合理設(shè)計電極位置，可以有效改善電鍍層的厚度均勻性。

圖2 烘烤前后電鍍鉻層的截面形貌Figure 2 Cross-sectional morphologies of electroplated chromium coatings before and after being baked

表1 電鍍鉻層的厚度和均勻性Table 1 Thickness and uniformity of electroplated chromium coatings

2. 2 電鍍鉻層的硬化效果

由于電鍍鉻層很薄，測量硬度時需要選擇合適的下壓力，方可得到供硬度分析的壓痕。GB/T 4340.1規(guī)定“試樣的最小厚度為對角線長度的1.5倍”，鉻鍍層厚度為11 ～ 42 μm，則壓痕尺寸應(yīng)該≤7.3 μm。再根據(jù)GB/T 4340.1中“維氏硬度 = 常數(shù) × 試驗力 ÷ 壓痕表面積”可以反推得到下壓力(F) ≈ 5.2882 ×維氏硬度 ×d2(其中d是壓痕對角線長度d1和d2的算術(shù)平均值，單位為mm)。電鍍硬鉻的維氏硬度在900 HV左右，對應(yīng)的下壓力為0.253 N，即下壓力不得高于0.253 N。另外，考慮到實際測試過程中觀測誤差一般為1 ～ 2 μm，若壓痕小于5 μm，測量誤差將會很大。綜合考慮，選擇標(biāo)稱值為0.245 2 N的試驗力來測量鍍層的表面和截面維氏硬度。

690合金管基體軸向截面維氏硬度為200 ～ 230 HV。因為電鍍鉻表面并不光潔，存在大量電鍍浮凸，為了減小觀測誤差，每種樣品取多處進(jìn)行測量，結(jié)果見圖 3。從中可知，測得的表面硬度數(shù)據(jù)較分散，同一試樣不同位置測得的表面硬度差在200 ～ 400 HV之間。隨電流密度增大，鍍層表面平均硬度有所提高。相同電流密度下所得鍍層經(jīng)烘烤后表面的平均硬度減小20 ～ 40 HV。

圖3 電鍍鉻層的表面維氏硬度Figure 3 Surface Vickers hardness of electroplated chromium coatings

從圖4可知，鍍鉻層截面維氏硬度的數(shù)據(jù)離散性比表面硬度小，同一試樣不同位置測得的最高和最低截面硬度差最小為50 HV，最大為200 HV左右。同樣，隨電流密度增大，鍍層截面平均硬度增大。相同電流密度下所得鍍層烘烤后，截面平均硬度下降10 ～ 40 HV。

圖4 電鍍鉻層的截面維氏硬度Figure 4 Cross-sectional Vickers hardness of electroplated chromium coatings

對比圖3和圖4可知，電鍍鉻層的表面硬度略低于截面硬度。這是因為測試截面硬度時，硬度儀壓頭的下壓力只作用在鍍鉻層上，而在測試表面硬度時，壓頭的下壓力會從鍍層傳遞到基體。雖然根據(jù)壓痕尺寸和GB/T 4340.1-2009計算下壓深度，壓頭都不會接觸到基體，但是當(dāng)鍍層較薄且壓痕恰好在微裂紋附近時，壓痕尺寸會略增，導(dǎo)致測得的硬度較小。另外在測試過程中發(fā)現(xiàn)，如果壓痕恰好接觸到表面的微裂紋，硬度測試值會下降至500 ～ 700 HV。這說明微裂紋會降低鍍層的局部硬度。

為了驗證下壓力過大造成的鍍層破壞會導(dǎo)致表面硬度下降，采用下壓力98 N進(jìn)行表面硬度測試，結(jié)果見圖5。測試的壓痕對角線長度為180 ～ 250 μm，壓頭頂部兩相對面夾角為136°，可算得壓痕深度為95.4 ～ 132.5 μm，壓頭穿透了鍍層，實際測得的表面硬度也降至350 ～ 450 HV。這說明下壓力破壞鍍層后，基體將承受大部分下壓力。

圖5 電鍍鉻層的穿刺硬度Figure 5 Surface hardness of electroplated chromium coatings measured after being penetrated

綜上可知，若合金管主要受到徑向方向、垂直于表面的下壓破壞，則鍍鉻層的保護(hù)作用有限。但如果合金管所受徑向下壓力較小，受到的破壞主要是平行于表面的摩擦，則鍍鉻層具有較好的耐磨性。

2. 3 電鍍鉻層與基體的結(jié)合力

電鍍鉻層與基體的結(jié)合力對鍍層的實際應(yīng)用也很重要，電鍍層開裂可能會導(dǎo)致鍍層剝落或者縫隙腐蝕，因此采用多種方法檢測鍍層與基體之間的結(jié)合力。首先參考GB/T 5270-2005嘗試使用百格法進(jìn)行檢測。但因為鍍鉻層硬度較高，刀具硬度不足及下壓力不夠，無法實現(xiàn)鍍層穿刺，甚至劃格后肉眼無法看到鍍層表面的損傷。這也從側(cè)面說明鍍層具有很高的硬度。

接著采用壓痕法檢測鍍鉻層的結(jié)合力，如圖6所示，壓痕附近出現(xiàn)了輻射狀裂紋，但沒有出現(xiàn)明顯的脫落現(xiàn)象。采用下壓式機械切割法將圓管一端切開，觀察切割部位的鍍層開裂情況。如圖7所示，隨著電流密度的增大，端部的裂紋和剝離量增加。烘烤處理能夠在一定程度上降低鍍層的脆性，緩解開裂和剝落現(xiàn)象。

圖6 烘烤前后電鍍鉻層表面壓痕形貌Figure 6 Morphologies of indentations on surfaces of electroplated chromium coatings before and after being baked

圖7 烘烤前后樣管機械切割后端部的電鍍鉻層開裂情況Figure 7 Fracture morphology of electroplated chromium coatings before and after baking

從圖8和表2可以看到，鍍層在磨鋸試驗中出現(xiàn)輕微的開裂和剝離。這可能與鍍層受力導(dǎo)致初始裂紋擴展有關(guān)。因此在討論鍍層與基體的結(jié)合力時，也要考慮鍍層自身的脆性和內(nèi)部裂紋。

表2 磨鋸后鍍鉻層的剝落情況Table 2 Peeling states of electroplated chromium coatings after being sawed

圖8 鋸痕處鍍鉻層的剝離形貌Figure 8 Peeling morphologies of electroplated chromium coatings at sawing position

綜合不同的結(jié)合力測試結(jié)果可知，電鍍鉻層與基體之間的結(jié)合力滿足使用要求，在承受壓應(yīng)力的狀態(tài)下不容易剝落。但因鍍層硬度高、脆性大，基體變形時容易導(dǎo)致鍍層碎裂并脫落。

2. 4 電鍍硬鉻應(yīng)用于690合金管時存在的問題

電鍍鉻層對690合金管的表面硬化效果非常明顯，采用普通刀具進(jìn)行劃割甚至無法留下痕跡。但電鍍鉻層也存在一些問題，包括有微裂紋、脆性大、厚度不均勻等。

(1) 微裂紋的存在會顯著影響鍍層的硬度，鍍層在受到下壓力時更容易開裂和脫落，因此微裂紋會導(dǎo)致鍍層在微動磨損狀態(tài)下加速受損，耐磨性下降。在電鍍鉻過程中借助輔助摩擦能夠減少氫在鍍層表面的吸附和在鍍層中的擴散，從而減小鍍層內(nèi)應(yīng)力，減少裂紋。但該法只適用于小型零件，在長管上實施的工藝難度大。雖然電鍍硬鉻層存在微裂紋，但其硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于690合金，依然能夠解決690合金的微動磨損問題，因此當(dāng)前對無裂紋電鍍硬鉻工藝沒有太高的需求。

(2) 鍍鉻層脆性高是另一個需要關(guān)注的問題。磨鋸試驗中樣管斷口部位的脆性開裂說明鍍鉻層的延展性不足，在承受外力變形時鍍層難以保持完整。690合金成品管在熱處理后還要進(jìn)行U形彎曲。所以應(yīng)將電鍍工序安排在U形彎曲之后。

(3) 鍍鉻層厚度不均勻是電鍍硬鉻應(yīng)用于690合金管面臨的最大問題。這主要是因為核電熱蒸發(fā)器對防振條與合金管之間的空間間隔有明確要求[8]。因此必須保證樣管在電鍍鉻后的總外徑在尺寸公差范圍內(nèi)，這就對制管的尺寸均勻性、鍍層厚度均勻性提出了更高的要求。當(dāng)前鍍鉻層厚度不均勻主要是因為電鍍過程中電位梯度場分布不均勻，導(dǎo)致管表面電流密度分布不均。因此在電鍍時要合理設(shè)計電極的分布，考慮鍍液的循環(huán)和U形管在鍍槽中的空間位置?？赏ㄟ^有限元模擬電位分布，合理設(shè)計電極位置，從而改善鍍層厚度均勻性。

3 結(jié)語

從工業(yè)應(yīng)用的角度來看，電鍍硬鉻層對690合金管具有明顯的表面硬化效果，與基體牢固結(jié)合，但存在微裂紋、脆性大、厚度不均勻的問題，顯著影響該工藝在690合金管上的應(yīng)用。在實際生產(chǎn)中，應(yīng)將電鍍工序安排在合金管變形加工之后，合理設(shè)計電極排布，以保證鍍層厚度均勻。此外，還要考慮鍍液循環(huán)和U形管在鍍槽中的空間位置，建議采用有限元方法進(jìn)行相關(guān)模擬分析。雖然當(dāng)前電鍍鉻技術(shù)無法滿足690合金管的技術(shù)要求，但經(jīng)改進(jìn)后有應(yīng)用推廣的可能。