溫度對(duì)不同運(yùn)行工況下Zr-4鋯合金微動(dòng)磨損行為的影響

方婧婷，彭金方，唐 攀，江君垚，申長(zhǎng)慧，李 坤，朱旻昊

(西南交通大學(xué)1.材料科學(xué)與工程學(xué)院；2.牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

0 引 言

目前核能因具有能效高、成本低且不會(huì)造成大氣污染[1]等優(yōu)點(diǎn)而成為較為理想的清潔能源。核電站通常采用燃料包殼、一回路壓力邊界和安全殼三道防御屏障[2]。核反應(yīng)堆中燃料組件作為放射性衰變發(fā)生的場(chǎng)所，主要元件包括燃料元件、定位格架和組件格架[2]，其中燃料元件中的燃料棒由包殼管和其包裹的核燃料2部分構(gòu)成。燃料棒處在核反應(yīng)堆環(huán)境中，其表面存在280～350 ℃高溫冷卻劑[3]，這會(huì)引起燃料棒擾動(dòng)而發(fā)生微振動(dòng)，從而導(dǎo)致包殼管和格架直接接觸而發(fā)生微動(dòng)磨損，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致燃料棒破損，放射性產(chǎn)物泄漏[4]，最終影響核電廠的安全運(yùn)行。

微動(dòng)磨損是因外界原因產(chǎn)生小幅度相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的磨損[5]。作為一種損傷形式，微動(dòng)磨損除了受到材料本身的性質(zhì)及其表面形成的氧化膜的影響外，也受到微動(dòng)運(yùn)行工況和環(huán)境溫度的影響。根據(jù)摩擦力-位移曲線的形狀，可將運(yùn)行工況分為直線型、橢圓型和平行四邊型：直線型或直線型/橢圓型運(yùn)行工況一般出現(xiàn)在兩接觸體間未發(fā)生相對(duì)滑移的情況下，此時(shí)微動(dòng)運(yùn)行在部分滑移區(qū)；平行四邊型或平行四邊形型/橢圓型運(yùn)行工況出現(xiàn)在兩接觸體發(fā)生完全滑移的情況下，此時(shí)微動(dòng)運(yùn)行在完全滑移區(qū)[5]。LIU等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在25～400 ℃范圍，WC-25Co合金涂層在微動(dòng)部分滑移區(qū)的摩擦因數(shù)低且穩(wěn)定，而在完全滑移區(qū)的摩擦因數(shù)隨溫度的升高而減小。LIU等[7]發(fā)現(xiàn)，Co-Cr-Mo合金的耐微動(dòng)磨損性能隨溫度的升高而降低。李紅巖等[8]研究發(fā)現(xiàn)，1045鋼在完全滑移區(qū)的摩擦因數(shù)和磨損量隨溫度的升高而降低，但部分滑移區(qū)的摩擦因數(shù)和磨損量變化不明顯。研究[9-10]發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，1Cr13不銹鋼在完全滑移區(qū)的摩擦因數(shù)和磨損率降低，高溫氧化效應(yīng)以及氧化膜的形成加劇，但溫度對(duì)部分滑移區(qū)微動(dòng)磨損行為的影響較小[10]?？芍?，溫度和微動(dòng)運(yùn)行工況的改變對(duì)于材料的損傷具有顯著的影響。

Zr-4合金的中子吸收截面小，高溫下的強(qiáng)度較高，耐腐蝕性和抗輻射損傷性優(yōu)良[11-12]，在現(xiàn)階段常被用作包殼材料。目前在鋯合金微動(dòng)磨損方面的研究主要集中在室溫下鋯合金氧化膜及其基體本身性質(zhì)影響方面[13-15]，而有關(guān)不同溫度下Zr-4合金微動(dòng)磨損行為方面的研究較少，也未對(duì)不同微動(dòng)工況的損傷差異進(jìn)行系統(tǒng)分析。為此，作者在相同位移幅值和不同法向載荷下對(duì)Zr-4合金進(jìn)行切向微動(dòng)磨損試驗(yàn)，研究了試驗(yàn)溫度對(duì)不同運(yùn)行工況微動(dòng)磨損行為的影響，以期為燃料組件材料Zr-4合金在高溫下的微動(dòng)磨損相關(guān)研究提供試驗(yàn)參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料選用Zr-4合金管，由中核建中核提供，其外徑為9.45 mm，內(nèi)徑為8.03 mm，長(zhǎng)度為1 m，化學(xué)成分如表1所示，彈性模量為9.54×104MPa，剪切模量為3.50×104MPa，抗拉強(qiáng)度為530 MPa，屈服強(qiáng)度為350 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為28%。通過機(jī)械加工的方式將原料管切割成長(zhǎng)度為15 mm的管試樣，經(jīng)超聲清洗后待用。

表1 Zr-4合金的化學(xué)成分

采用課題組自主研發(fā)的全模式高溫微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行切向微動(dòng)磨損試驗(yàn)，具體設(shè)備如圖1所示，上下試樣均為Zr-4合金管，接觸模式為點(diǎn)接觸。在微動(dòng)磨損試驗(yàn)過程中，通過音圈電機(jī)實(shí)施位移加載，伺服電作動(dòng)缸施加法向載荷，并通過水平光柵位移傳感器實(shí)時(shí)采集微動(dòng)相對(duì)位移量，摩擦力隨微動(dòng)位移、循環(huán)次數(shù)的響應(yīng)值由壓電式載荷傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，同時(shí)利用外接加熱模塊的溫控器設(shè)定試驗(yàn)溫度，并對(duì)試樣進(jìn)行提前加熱完成高溫試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中的位移幅值為60 μm，法向載荷分別為10,40 N，試驗(yàn)頻率為5 Hz，試驗(yàn)溫度為25,100,200,325 ℃，循環(huán)次數(shù)為20 000 周次。

圖1 微動(dòng)磨損試驗(yàn)裝置示意

試驗(yàn)結(jié)束后，通過摩擦力和法向載荷的比值來計(jì)算摩擦因數(shù)；采用JEOL JSW-6610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)下試樣磨痕區(qū)域的形貌進(jìn)行觀察；采用 JXA-8230型電子探針(EMPA)進(jìn)行微區(qū)元素成分分析；采用ContourGT-I型白光干涉儀對(duì)下試樣磨痕區(qū)域進(jìn)行二維輪廓和三維形貌分析，并測(cè)量磨損面積及磨損量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦特征曲線

由圖2(a)可知，當(dāng)位移幅值為60 μm時(shí)，在不同試驗(yàn)溫度和10 N法向載荷下，試驗(yàn)合金的摩擦力-位移曲線的形狀為平行四邊形或橢圓形[16]，說明在此參數(shù)下微動(dòng)運(yùn)行于完全滑移區(qū)。當(dāng)試驗(yàn)溫度從25 ℃升高至100 ℃時(shí)，最大摩擦力發(fā)生明顯變化，曲線形狀由平行四邊形變?yōu)闄E圓形，且曲線斜率先減小后增大[17]，說明此時(shí)合金表面的接觸剛度先減小后增大[18]；隨著試驗(yàn)溫度的進(jìn)一步升高，曲線形狀又恢復(fù)為平行四邊形。由圖2(b)可知，當(dāng)法向載荷為40 N時(shí)，不同試驗(yàn)溫度下的摩擦力-位移曲線均為直線形，此時(shí)微動(dòng)處于部分滑移區(qū)，當(dāng)試驗(yàn)溫度升高至325 ℃時(shí)，曲線的面積增大，表明此時(shí)相對(duì)滑移量增加[6]；隨著試驗(yàn)溫度的升高，曲線斜率先減小后增大，說明接觸剛度先減小后增大。

圖2 不同試驗(yàn)溫度和法向載荷下Zr-4合金的摩擦力-位移曲線(循環(huán)次數(shù)5 000 周次)

由圖3可知：在完全滑移區(qū)，試驗(yàn)合金在25 ℃時(shí)的穩(wěn)定摩擦因數(shù)最低(約為0.78)；當(dāng)試驗(yàn)溫度升高至100 ℃時(shí)，從初始到300周次循環(huán)時(shí)摩擦因數(shù)迅速增大，在循環(huán)次數(shù)接近660周次時(shí)摩擦因數(shù)驟降，直到循環(huán)3 500周次后摩擦因數(shù)又呈上升趨勢(shì)，最大摩擦因數(shù)約為1.26；當(dāng)試驗(yàn)溫度為200，325 ℃時(shí)，摩擦因數(shù)很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定摩擦因數(shù)分別為0.88,0.94，但與325 ℃一直維持穩(wěn)定的趨勢(shì)不同，200 ℃時(shí)摩擦因數(shù)在200周次循環(huán)處略微降低，5 000周次循環(huán)后又上升至穩(wěn)定狀態(tài)?？芍谕耆茀^(qū)，試驗(yàn)合金在25 ℃時(shí)的摩擦因數(shù)最低，這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)使合金表面附著物分解破裂，在一定程度上加速磨損，從而增大摩擦因數(shù)[19]。在部分滑移區(qū)，試驗(yàn)溫度為25，100 ℃的摩擦因數(shù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時(shí)間較200,325 ℃下長(zhǎng)；25 ℃時(shí)的穩(wěn)定摩擦因數(shù)最高，為0.72，當(dāng)試驗(yàn)溫度升高至100 ℃時(shí)，穩(wěn)定摩擦因數(shù)約為0.50，下降幅度達(dá)到31%，當(dāng)試驗(yàn)溫度繼續(xù)升高至200，325 ℃時(shí)，法向載荷引起的塑性變形[20]和瞬時(shí)高溫使得接觸材料熔化而發(fā)生焊合，造成摩擦因數(shù)又會(huì)有一定的升高[21]，但摩擦因數(shù)較早達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相同試驗(yàn)溫度下，部分滑移區(qū)的穩(wěn)定摩擦因數(shù)均小于完全滑移區(qū)，且摩擦因數(shù)的變化較平穩(wěn)。

圖3 不同試驗(yàn)溫度下Zr-4合金在不同運(yùn)行工況的摩擦因數(shù)-循環(huán)次數(shù)曲線

2.2 磨痕損傷特征

由圖4可以看出：在完全滑移區(qū)，25 ℃下試驗(yàn)合金磨痕表面磨屑堆積嚴(yán)重，磨痕四周有大量細(xì)小顆粒狀磨屑分布；當(dāng)試驗(yàn)溫度升高至100 ℃時(shí)，磨屑的堆積更為嚴(yán)重，磨屑被壓實(shí)形成磨屑層，磨屑顆粒變細(xì)；200 ℃下磨痕邊緣位置細(xì)小顆粒狀磨屑減少，邊緣與中心位置過渡處有微動(dòng)滑移痕跡，并出現(xiàn)在基體表面，說明溫度的升高導(dǎo)致磨屑的聚集程度增加，分散的磨屑減少，磨痕中心出現(xiàn)少量剝落坑和犁溝；當(dāng)試驗(yàn)溫度升高至325 ℃時(shí)，材料膨脹使得試樣間接觸緊密，磨屑無法及時(shí)排出接觸區(qū)，邊緣位置處觀察不到磨屑，此時(shí)上下試樣接觸表面相對(duì)滑動(dòng)，受高溫影響磨痕區(qū)域出現(xiàn)材料的塑性流動(dòng)特征，磨痕中心剝層嚴(yán)重，出現(xiàn)少量微裂紋以及較多的犁溝[22]。由圖5可以看出，在部分滑移區(qū)，磨痕呈現(xiàn)出明顯的中心黏著區(qū)和邊緣滑移區(qū)，符合典型的部分滑移區(qū)微動(dòng)損傷形貌特征[16]。25 ℃時(shí)磨痕損傷輕微，黏著區(qū)和滑移區(qū)的界線不明顯，磨屑堆積形成片狀磨屑；當(dāng)試驗(yàn)溫度升高至100 ℃時(shí)，可以明顯觀察到黏著區(qū)和滑移區(qū)的界線，磨痕中心位置的黏著磨損加劇，有少量剝落坑形成；200 ℃時(shí)，邊緣滑移區(qū)占比增大，黏著區(qū)有磨屑堆積現(xiàn)象，表面發(fā)生塑性變形和材料塑性流動(dòng)；325 ℃時(shí)磨痕面積增大，損傷加劇，表面幾乎觀察不到顆粒狀磨屑的存在。可知，完全滑移區(qū)的磨損機(jī)制為剝層、磨粒磨損和氧化磨損，溫度的升高對(duì)合金微動(dòng)磨損程度的影響較大，325 ℃下試驗(yàn)合金的微動(dòng)損傷程度最大；部分滑移區(qū)則主要以剝層、黏著磨損和氧化磨損為主，隨著試驗(yàn)溫度的升高，試驗(yàn)合金的微動(dòng)損傷整體變化不大。

圖4 不同溫度下Zr-4合金在完全滑移區(qū)的磨痕表面SEM形貌

圖5 不同溫度下Zr-4合金在部分滑移區(qū)的磨痕表面SEM形貌

2.3 磨痕表面微區(qū)成分

由圖6可以看出：在完全滑移區(qū)，25 ℃下試驗(yàn)合金磨痕表面氧元素含量較高，鋯元素含量低，未磨損區(qū)域則相反，氧元素在整個(gè)磨痕上呈現(xiàn)出沿位移方向分布的規(guī)律；100，200，325 ℃下磨痕區(qū)域氧元素含量明顯較未磨損區(qū)域高，但鋯元素含量的降低并不明顯。由圖7可以看出：在部分滑移區(qū)，不同溫度下試驗(yàn)合金磨痕表面氧元素的分布均呈現(xiàn)出明顯的環(huán)狀特征，即磨痕邊緣形成了一個(gè)富氧、貧鋯的環(huán)狀區(qū)域;而磨痕中心為富鋯、貧氧，且25，325 ℃時(shí)該現(xiàn)象最明顯。這與部分滑移區(qū)中間黏著邊緣滑移的特征相符。邊緣由于摩擦磨損產(chǎn)生的活化作用，促進(jìn)了氧化反應(yīng)的進(jìn)行，而中心由于未發(fā)生相對(duì)滑移，使得氧化現(xiàn)象并不顯著[23]。

圖6 不同溫度下Zr-4合金在完全滑移區(qū)磨痕表面的EPMA分析結(jié)果

圖7 不同溫度下Zr-4合金在部分滑移區(qū)磨痕表面的EPMA分析結(jié)果

2.4 磨痕輪廓及磨損量

由圖8可知：在完全滑移區(qū)，25 ℃時(shí)試驗(yàn)合金磨痕在x方向的最大深度為13 μm，磨痕寬度為750 μm；100，200 ℃時(shí)磨痕表面有明顯的凸起，且100 ℃時(shí)的凸起高度更大，這可能是由大量磨屑堆積造成的[23]，磨痕寬度分別為460 μm和655 μm；當(dāng)試驗(yàn)溫度升高至325 ℃時(shí)，磨痕輪廓與25 ℃時(shí)相同，為明顯的“U”形，但此時(shí)的磨痕在x方向的最大深度為40 μm，為25 ℃時(shí)的3倍左右，同時(shí)磨痕的寬度最大，達(dá)到1 000 μm。在完全滑移區(qū)，溫度的升高使試驗(yàn)合金表面軟化嚴(yán)重，加重微動(dòng)磨損的同時(shí)容易發(fā)生材料轉(zhuǎn)移。由圖9可以看出：在部分滑移區(qū)，25 ℃時(shí)磨痕在x方向的最大深度為9.5 μm，凸起高度為7 μm，磨痕寬度為515 μm，此時(shí)上下試樣接觸區(qū)域的中間發(fā)生黏著；100 ℃時(shí)磨痕的最大深度僅為2.5 μm，為25 ℃時(shí)的1/4左右，磨痕寬度為286 μm；試驗(yàn)溫度繼續(xù)升高至325 ℃，磨痕的最大深度變化不大，寬度增至446 μm。在部分滑移區(qū)，試驗(yàn)溫度的升高使試驗(yàn)合金中間的黏著加劇，邊緣的滑移減輕，但整體變化較小。

圖8 不同溫度下Zr-4合金在完全滑移區(qū)的三維形貌及二維輪廓

圖9 不同溫度下Zr-4合金在部分滑移區(qū)磨痕的三維形貌及二維輪廓

由圖10可以看出：在完全滑移區(qū)，隨著試驗(yàn)溫度的升高，試驗(yàn)合金的磨損面積先減小后增大，325 ℃時(shí)的磨損面積最大，為1 099 098.624 μm2，100 ℃時(shí)的磨損面積最小，僅為649 255.04 μm2，是325 ℃時(shí)的1/2；在部分滑移區(qū)，隨著溫度的升高，磨損面積相差較小，325 ℃的磨損面積最大，為237 506.256 μm2，100 ℃時(shí)的磨損面積最小，為179 315.136 μm2。在完全滑移區(qū)，325 ℃時(shí)的磨損體積最大，為 3 417 417.728 μm3，100 ℃時(shí)的次之，為3 050 682.624 μm3，25 ℃和200 ℃時(shí)的磨損體積較小，約為100 ℃的1/2；在部分滑移區(qū)，25 ℃時(shí)的磨損體積最大，100 ℃時(shí)的磨損體積最小，為34 607.856 μm3，僅為25 ℃時(shí)的1/3。可以看出，在相同溫度下，部分滑移區(qū)的微動(dòng)磨損程度遠(yuǎn)低于完全滑移區(qū)。試驗(yàn)溫度的升高對(duì)完全滑移區(qū)微動(dòng)磨損程度的影響較明顯，而對(duì)部分滑移區(qū)的影響不大。

圖10 不同溫度下Zr-4合金在不同運(yùn)行工況的磨損面積及磨損體積

3 結(jié) 論

(1)在完全滑移區(qū)，Zr-4合金在25 ℃時(shí)的摩擦因數(shù)最小，100 ℃時(shí)摩擦因數(shù)最大，200, 325 ℃時(shí)的摩擦因數(shù)最早達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；在部分滑移區(qū)，25 ℃的摩擦因數(shù)最大，隨試驗(yàn)溫度升高，摩擦因數(shù)先下降后增大，200，325 ℃時(shí)的摩擦因數(shù)最早達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在相同試驗(yàn)溫度下，部分滑移區(qū)的摩擦因數(shù)均小于完全滑移區(qū)，且摩擦因數(shù)的變化較平穩(wěn)。

(2)在完全滑移區(qū)，Zr-4合金的磨損機(jī)制包括磨粒磨損、氧化磨損和剝層，溫度的升高對(duì)合金微動(dòng)磨損程度的影響較大，325 ℃時(shí)試驗(yàn)合金的微動(dòng)損傷程度最大；在部分滑移區(qū)，磨損機(jī)制包括剝層、黏著磨損和氧化磨損，隨著試驗(yàn)溫度的升高，試驗(yàn)合金的微動(dòng)損傷程度整體變化不大。

(3)在相同試驗(yàn)溫度下，部分滑移區(qū)的微動(dòng)磨損量遠(yuǎn)低于完全滑移區(qū)。試驗(yàn)溫度的升高對(duì)完全滑移區(qū)微動(dòng)磨損量的影響較明顯，而對(duì)部分滑移區(qū)的影響不大。