控制棒水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸摩擦副涂層優(yōu)選研究

石 勇， 陳 寶， 薄涵亮

(1. 海軍裝備部駐北京地區(qū)第七軍事代表室， 北京 100120；2. 清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院， 北京 100084)

0 前 言

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是核反應(yīng)堆最關(guān)鍵的安全設(shè)備，擔(dān)負(fù)著反應(yīng)堆的啟動(dòng)、功率調(diào)節(jié)和停堆等重要功能[1]。清華大學(xué)基于原5 MW 低溫供熱堆水力驅(qū)動(dòng)控制棒技術(shù)[2]提出了控制棒水壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)，采用反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)的一回路水作為工作介質(zhì)，將原5 MW 堆采用動(dòng)壓驅(qū)動(dòng)的水力步進(jìn)缸，改為靜壓驅(qū)動(dòng)的水壓缸，提高了控制棒棒位的穩(wěn)定性。 該技術(shù)的核心設(shè)備是控制棒水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用3 個(gè)水壓缸驅(qū)動(dòng)2 套銷爪機(jī)構(gòu)，通過(guò)組合閥控制進(jìn)入水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的水流，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)抓住或松開(kāi)控制棒驅(qū)動(dòng)軸，最終帶動(dòng)控制棒吸收體在堆芯做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)或快速落棒，從而實(shí)現(xiàn)堆芯反應(yīng)性的調(diào)節(jié)，其原理如圖1 所示[3，4]。

圖1 控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖[3，4]Fig. 1 Schematic figure of the control rod hydraulic drive systems[3，4]

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心部件，由外套缸、內(nèi)套缸、活塞環(huán)和復(fù)位彈簧組成，如圖2 所示，其中外套缸和活塞環(huán)構(gòu)成一對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦副。 秦本科等[5-7]對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸的充泄及壓過(guò)程進(jìn)行了理論分析，建立了水壓缸單缸充泄壓理論模型；劉潛峰等[8-10]對(duì)影響水壓缸運(yùn)行的主要參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)特性分析，并對(duì)水壓缸升壓和降壓過(guò)程進(jìn)行了理論分析。 然而，已有研究多偏重于針對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸的水力特性和機(jī)理的理論及實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)水壓缸摩擦副的研究相對(duì)缺乏。

圖2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic figure of the hydraulic cylinder

實(shí)際應(yīng)用中，摩擦副性能對(duì)水壓缸和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能有重要影響，其使用壽命直接影響驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的壽命和可靠性。 陳洋[11]提出了采用表面強(qiáng)化的方法降低摩擦系數(shù)，提高摩擦副耐磨性，并對(duì)水壓缸外套缸沉積氮化鈦(TiN)、碳化鎢(WC)和鈷基合金3 種薄膜或涂層后的摩擦系數(shù)及抗熱沖擊性能進(jìn)行了研究，提出了在水壓缸外套缸內(nèi)表面沉積TiN 膜、活塞環(huán)上沉積DLC 膜的摩擦副配伍方案。 實(shí)際加工制造中，由于不銹鋼基體材料硬度相對(duì)較低，TiN 膜易發(fā)生破損，影響摩擦副壽命及可靠性，采用了先噴涂硬度較高的WC涂層，然后以該涂層為基體，再沉積TiN 膜的方案。 然而由于WC 涂層需要使用Co 作為粘合劑，而控制棒水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為內(nèi)置式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，安裝在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)部，因此水壓缸WC 涂層存在受到堆芯輻照產(chǎn)生放射性的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)以上問(wèn)題，基于與水壓缸活塞環(huán)摩擦副匹配的摩擦磨損試驗(yàn)，本工作擬對(duì)不含Co 的硬質(zhì)合金涂層材料開(kāi)展優(yōu)選研究。 其中，碳化鉻(Cr3C2)涂層具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐高溫等性能[12，13]，是一種具有潛力的涂層備選方案，已有較多學(xué)者對(duì)其噴涂工藝以及在汽輪機(jī)葉片、通流部件、透平機(jī)械密封結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及性能進(jìn)行了研究[14-17]，而對(duì)于Cr3C2涂層在核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸摩擦副中的應(yīng)用，其性能和適用性有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。 為此，本工作對(duì)采用不同粘合劑的WC 涂層和Cr3C2涂層性能及噴涂不同涂層的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸試驗(yàn)件運(yùn)動(dòng)阻力及泄漏率性能進(jìn)行了對(duì)比，提出了新型摩擦副涂層方案，以為控制棒水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和整體性能研究及優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 水壓缸摩擦副涂層材料比選

1.1 備選涂層材料

本研究旨在解決原WC 涂層中含Co 元素導(dǎo)致的堆芯輻照后產(chǎn)生放射性問(wèn)題。 根據(jù)國(guó)內(nèi)外核電相關(guān)產(chǎn)品的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，采用Ni、NiCr 等替代Co 元素， 以WC-Ni、NiCr-Cr3C22 種材料替代WC-Co 涂層材料，開(kāi)展WC-Ni、NiCr-Cr3C2、WC-Co 3 種涂層與活塞環(huán)摩擦副摩擦磨損匹配性能對(duì)比。

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)原理及試樣

為了模擬活塞環(huán)和外套缸間的摩擦磨損行為，采用SRV4 型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)上述摩擦副涂層進(jìn)行銷盤法摩擦磨損試驗(yàn)。

其中所采用的上試樣銷軸為GH4169 合金，表面制備DLC 膜，試樣尺寸為φ15 mm×22 mm，模擬與水壓缸外套缸活塞環(huán)；下試樣為1Cr18Ni9Ti 不銹鋼，表面制備不同涂層材料，試樣尺寸為φ24 mm×7.8 mm，選取WC-17Ni(簡(jiǎn)稱17Ni)、WC - 12Co(簡(jiǎn)稱12Co)和Cr3C2-25NiCr(簡(jiǎn)稱25Cr)3 種涂層材料作為摩擦副，采用CCDS2000 型爆炸噴涂系統(tǒng)制備了上述3 種涂層。 噴涂參數(shù)為:噴涂距離為275 mm，氧燃比為1.1，工作壓力為0.15 MPa，送粉速度為0.15 g/s，噴槍頻率為4 s-1。噴涂后采用磨削加工的方法，將涂層表面粗糙度控制在Ra0.8 μm。

試驗(yàn)過(guò)程中所采用的試驗(yàn)參數(shù)為:試驗(yàn)溫度分別為30 ℃和254 ℃，試驗(yàn)載荷40 N，往復(fù)行程1.0 mm，頻率50 Hz，試驗(yàn)次數(shù)為1 000 000 次，摩擦磨損試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 摩擦磨損試驗(yàn)?zāi)Σ粮奔皽y(cè)試條件Table 1 Friction and wear test conditions for each friction pair

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦磨損試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)前，摩擦副表面的狀態(tài)見(jiàn)圖3 所示，盤涂層試樣表現(xiàn)呈現(xiàn)典型的金屬光澤，涂層表面粗糙度為Ra0.8 μm，銷軸試樣表面為DLC 膜呈現(xiàn)黑色，表面光潔度為Ra0.4 μm。

圖3 摩擦磨損試樣試驗(yàn)前形貌Fig. 3 Photo of test specimens before the friction and weartest

開(kāi)展不同材料與活塞環(huán)摩擦副材料的100 萬(wàn)次長(zhǎng)壽命摩擦磨損測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，對(duì)應(yīng)的摩擦磨損曲線如圖4 所示。 結(jié)果表明:室溫狀態(tài)25Cr涂層與活塞環(huán)材料形成的摩擦副，摩擦系數(shù)最低，達(dá)到0.664；17Ni 涂層的摩擦系數(shù)最高，為1.344；254 ℃情況下，17Ni、12Co、25Cr 涂層與活塞環(huán)材料材料的摩擦系數(shù)分別為1.344、1.104 和1.140，12Co 和25Cr 涂層的摩擦系數(shù)相近，且為最優(yōu)。

圖4 不同摩擦副的摩擦磨損曲線Fig. 4 Friction coefficient evolution for each friction pair at temperatures of 30 ℃and 254 ℃

表2 摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Friction and wear test results

仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)17Ni、12Co、25Cr 涂層與活塞環(huán)DLC 涂層初始階段均呈現(xiàn)較低的摩擦系數(shù)(約0.2)，這主要受益于DLC 膜層的潤(rùn)滑性能。 由于DLC膜層較薄，磨損過(guò)程中不斷被消耗，DLC 膜層損耗掉后摩擦系數(shù)出現(xiàn)快速上升，3 種涂層摩擦系數(shù)出現(xiàn)上升的位置分別為17 萬(wàn)次、10 萬(wàn)次和20 萬(wàn)次，25Cr 涂層穩(wěn)定狀態(tài)的摩擦系數(shù)最低。 254 ℃條件下，對(duì)磨副低摩擦系數(shù)使用次數(shù)均出現(xiàn)降低，分析認(rèn)為活塞環(huán)表面的DLC涂層是低摩擦系數(shù)產(chǎn)生的關(guān)鍵，隨著磨損時(shí)間延長(zhǎng)，DLC 膜逐漸損失，直至涂層與GH4169 材料對(duì)磨，從而出現(xiàn)摩擦系數(shù)的變化。 此外，可以發(fā)現(xiàn)254 ℃高溫條件下，DLC 膜層的使用壽命縮短。

100 萬(wàn)次摩擦磨損試驗(yàn)后，摩擦副的表面狀態(tài)如圖5 所示。 可以看到，經(jīng)過(guò)100 萬(wàn)次摩擦磨損試驗(yàn)后，試樣表面形成了一定寬度的均勻磨痕。 為進(jìn)一步分析不同摩擦副材料的磨損機(jī)理，對(duì)12Co、17Ni 和25Cr 3 種涂層材料與GH4169+DLC 膜組成的摩擦副的微觀形貌進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7 和圖8 所示。

圖5 摩擦磨損試驗(yàn)后試樣形貌Fig. 5 Photo of test specimens after the friction and wear test

圖6 12Co/GH4169+DLC 摩擦副磨損試驗(yàn)后形貌Fig. 6 Microstructure of the test piece of WC-12Co coating after wear test

圖7 17Ni/GH4169+DLC 摩擦副磨損試驗(yàn)后形貌Fig. 7 Microstructure of the test piece ofWC-17Ni coating after wear test

圖8 25Cr/GH4169+DLC 摩擦副磨損試驗(yàn)后形貌Fig. 8 Microstructure of the test piece ofCr3C2-25NiCr coating after wear test

可以看到:12Co 涂層在室溫和254 ℃條件下，與活塞環(huán)材料均顯示較為嚴(yán)重的黏著磨損，磨痕區(qū)出現(xiàn)材料黏附形成的片層結(jié)構(gòu)；17Ni 涂層在室溫和254 ℃條件下，與活塞環(huán)材料黏著磨損情況優(yōu)于12Co 涂層；25Cr 涂層在室溫和254 ℃條件下，與活塞環(huán)材料顯示出黏著磨損的狀態(tài)較少，摩擦副的匹配度較高。

2.2 25Cr 涂層性能測(cè)試

根據(jù)摩擦副涂層摩擦磨損性能試驗(yàn)結(jié)果，選取25Cr 材料作為水壓缸外套缸涂層優(yōu)選方案，采用爆炸噴涂工藝完成了25Cr 涂層制備，并對(duì)涂層性能進(jìn)行了測(cè)試。

對(duì)制備好的金相試樣測(cè)試其涂層的截面顯微硬度，采Struers 公司的Duramin 型低載荷維氏硬 度計(jì)，在2.94 N 載荷下加載15 s，測(cè)定涂層的硬度， 每個(gè)試樣測(cè)試5 點(diǎn)，取平均值。

將結(jié)合強(qiáng)度試樣端面噴涂200～300 μm 厚涂層，采用FM1000 膠將噴涂面和力學(xué)對(duì)偶件黏合。 將黏合好的試樣在180 ℃下固化(120±10) min。 依據(jù)ASTM C633“熱噴涂層黏附力或粘結(jié)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法”測(cè)試涂層結(jié)合強(qiáng)度，測(cè)試3 個(gè)有效值。

2.2.1 涂層厚度

制備帶涂層解剖試驗(yàn)件，沿縱向?qū)υ囼?yàn)件進(jìn)行解剖，制備金相試樣，試樣涂層截面形貌見(jiàn)圖9，采用金相法測(cè)試解剖件涂層厚度，涂層厚度為122～145 μm，滿足驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸外套缸涂層厚度≥100 μm 的使用要求。

圖9 25Cr 涂層水壓缸外套缸解剖件金相組織Fig. 9 Metallographic structure of the anatomized test piece of Cr3C2-25NiCr (25Cr) coating

2.22. 彎曲性能

制備帶涂層彎曲試樣，涂層厚度為0.23～0.25 mm，試樣彎曲角度為90°以上，彎曲后表面形貌見(jiàn)圖10。 可以看到，試樣表面未發(fā)現(xiàn)涂層剝落，涂層與基體無(wú)分離。

圖10 彎曲試樣表面形貌Fig. 10 Surface morphology of the test piece of Cr3C2 coating after bending property test

2.2.3 涂層結(jié)合強(qiáng)度

制備帶涂層結(jié)合強(qiáng)度試樣，依據(jù)ASTM C633 測(cè)試涂層結(jié)合強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。 試樣斷裂位置為膠界面斷裂，涂層結(jié)合強(qiáng)度均大于68.9 MPa。

表3 結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 3 Results of the bonding strength between the 25Cr coating and substrate

2.2.4 顯微硬度

解剖件涂層截面顯微硬度見(jiàn)表4，涂層截面顯微硬度為700～996 HV，滿足涂層顯微硬度≥650 HV 要求。

表4 解剖件涂層顯微硬度 HVTable 4 Results of the microhardness of the 25Cr coating HV

為滿足水壓缸的長(zhǎng)壽命使用，涂層性能的具體要求為:涂層厚度≥0.1 mm，涂層結(jié)合強(qiáng)度≥68.9 MPa，顯微硬度≥650 HV。 采用爆炸噴涂制備25Cr 涂層缸體試驗(yàn)件涂層厚度、結(jié)合強(qiáng)度、顯微硬度等測(cè)試結(jié)果滿足涂層性能的技術(shù)指標(biāo)要求。

2.3 25Cr 涂層水壓缸冷態(tài)性能測(cè)試

3 種類型水壓缸外套缸(提升缸、傳遞缸、夾持缸)內(nèi)表面噴涂25Cr 涂層后，與沉積DLC 涂層的活塞密封環(huán)(基體材料為高溫鎳基合金GH4169)配伍后采用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸泄漏率冷態(tài)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行冷態(tài)性能測(cè)試，獲得了連續(xù)100 萬(wàn)次往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中泄漏率和摩擦阻力的變化情況，如圖11 所示。

圖11 噴涂25Cr 涂層水壓缸外套缸冷態(tài)壽命考核泄漏率及阻力變化Fig. 11 Variations of leakage flow rate and frictional resistance for hydraulic cylinders with 25Cr coating

可以看到提升缸外套缸摩擦阻力分布在15～30 N，泄漏率為5～20 kg/h；傳遞缸外套缸摩擦阻力分布在50～105 N，泄漏率為8～23 kg/h；夾持缸外套缸摩擦阻力分布在20～55 N，泄漏率為15～30 kg/h，滿足控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸的使用要求。

冷態(tài)試驗(yàn)后，依據(jù)GJB 2367A“滲透檢驗(yàn)”進(jìn)行滲透探傷測(cè)試。 結(jié)果顯示:涂層磨痕區(qū)干擾背底較大，未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋熒光顯示。

將噴涂25Cr 涂層的水壓缸冷態(tài)性能與原噴涂WC并沉積TiN 膜的水壓缸冷態(tài)性能進(jìn)行比較，如表5 所示，可以看出，提升缸外套缸噴涂25Cr 涂層試驗(yàn)件泄漏率和摩擦阻力顯著降低，傳遞缸外套缸噴涂WC 涂層和25Cr 涂層試驗(yàn)件的摩擦阻力和泄漏率數(shù)據(jù)相當(dāng)，夾持缸外套缸噴涂25Cr 涂層的摩擦阻力和泄漏率數(shù)據(jù)略低于WC 涂層試驗(yàn)件。

表5 水壓缸外套缸噴涂碳化鎢涂層和碳化鉻涂層冷態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 5 Comparisons of leakage flow rate and frictional resistance for hydraulic cylinders with WC+TiN and Cr3C2coating

通過(guò)對(duì)比分析SRV4 摩擦磨損試驗(yàn)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)25Cr 涂層與活塞環(huán)材料組成的對(duì)磨副摩擦系數(shù)更低，因此冷態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中的摩擦阻力更小，泄漏率相對(duì)WC 涂層降低。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)水壓缸外套缸新材料涂層研究，篩選了WC-17Ni、WC-12Co、Cr3C2-25NiCr 3 種涂層材料與活塞環(huán)GH4169+DLC 組成的摩擦副，進(jìn)行了100 萬(wàn)次室溫和254 ℃摩擦磨損行為測(cè)試和評(píng)價(jià)，最終確定爆炸噴涂Cr3C2-25NiCr 作為水壓缸外套缸新材料涂層。 研究得到的具體結(jié)論如下:

(1)SRV4 磨損試驗(yàn)測(cè)試表明Cr3C2涂層與活塞環(huán)GH 4169+DLC 膜組成的摩擦副，摩擦系數(shù)更低，磨損匹配性優(yōu)于WC 涂層與活塞環(huán)GH 4169+DLC 膜組成的摩擦副；

(2)采用爆炸噴涂制備Cr3C2涂層缸體試驗(yàn)件涂層厚度122～145 μm，結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到70 MPa 以上，涂層截面顯微硬度為700～996 HV，滿足水壓缸缸體技術(shù)指標(biāo)要求；

(3)對(duì)裝配后的Cr3C2-25NiCr 涂層水壓缸進(jìn)行了100 萬(wàn)次冷態(tài)性能及壽命試驗(yàn)研究，獲得了泄漏率和摩擦阻力隨使用次數(shù)的變化曲線。 結(jié)果表明，水壓缸外套缸爆炸噴涂Cr3C2-25NiCr 涂層試驗(yàn)件泄漏率和摩擦阻力滿足控制棒水壓驅(qū)動(dòng)及機(jī)構(gòu)的使用要求，冷態(tài)壽命達(dá)到100 萬(wàn)次以上。 相對(duì)于WC 涂層試驗(yàn)件，Cr3C2-25NiCr 涂層試驗(yàn)件的摩擦阻力更低，泄漏率相對(duì)較少。

本工作研究確定的水壓缸外套缸新材料摩擦副方案即Cr3C2-25NiCr 涂層方案解決了原WC 涂層含Co導(dǎo)致的放射性問(wèn)題，且Cr3C2-25NiCr 涂層摩擦系數(shù)更低，與WC 涂層相比無(wú)需沉積TiN 膜以進(jìn)一步降低摩擦系數(shù)，簡(jiǎn)化了水壓缸外套缸的摩擦副表面處理工藝。