微動是指兩個接觸表面發生極小振幅( 一般為微米級) 的相對運動， 常發生在近似緊密配合構件接觸表面上。由于流緻振動等的影響， 微動是核電站設備中不可避免的現象． 在幾乎整個核電系統的各個部分， 例如壓力容器、 燃料組件、 控制棒組件、堆内 構件、蒸汽發生器、 換熱器、 主泵和管道部件都存在微動現象。傳熱管失效将導緻傳熱效率下降， 嚴重的情況下會導緻一回 路放射性污染和整個蒸汽發生器的報廢． 微動損傷已成為 蒸汽發生器失效的主要原 因 之一。 目前，國 内 外衣 有關于Inconel 600 和 690等熱交換管材料微動磨損行為的研究，但針對高溫微動 損 傷和 機理的 研究相對較少。本研究主要針對 Inconel 600合金的高溫微動特征和損傷機理， 為核反應堆關鍵部件抗高溫微動損傷提供理論和實驗依據。

上試樣是直徑為 10 mm 的 304 不鏽鋼球， 表面粗糙度 Ｒa≈0. 04 μm， 硬度 HV 700; 下試樣是 Inconel 600合金闆， 厚 度 為 2 mm， 其化學成分如 表 1 所示． 将Inconel 600薄闆切割為 15 mm × 15 mm × 2 mm 塊體， 試樣表面經研磨抛光至 Ｒa≈0. 04 μm， 除油清潔後， 将食鹽放入自制的夾具中．

上海霆鋼金屬集團有限公司

微動磨損 實驗儀器為 德國 Optimol 公司 生産的SＲV 摩擦磨損試驗機， 微動磨損結構示意圖見圖 1． 微動磨損實驗在高溫無潤滑條件下進行， 摩擦副接觸方 式采用球/平面接觸， 微動方式為切向微動． 微動機械條件為: 載 荷 100 N， 振 幅 90 μm， 頻 率 20 Hz， 時 減30 min． 實驗溫度在核電站蒸汽發生器工作的溫度範圍為 280 ～ 340 ℃ ． 實驗前将試樣浸泡于乙醇中， 超聲波清洗 20 min。

上海霆鋼金屬集團有限公司

微動磨損實驗結束後， 将試樣浸泡于酒精中， 超聲波清洗 20 min， 自然幹燥 24 h， 用三維白光幹涉表面形貌儀觀察磨痕三維形貌并獲取磨損體積; 用掃描電子顯微鏡觀察磨損表面和截面的形貌; 用能譜儀獲取磨痕表面的化學組成; 用 X 射線光電子能譜儀研究磨痕表面氧化層的成分和組成。

圖 2(a) 為不同實驗溫度下摩擦系數(μ) 随着時間的變化曲線． 從圖中可以看出， 摩擦系數随時間的變化可分為兩個階段: 第一階段， 微動初始， 合金表面膜被迅速破壞和去除， 上下試樣作用 增強， μ 處于上升期; 第二階段， 磨屑的産生和排出基本達到動态平衡， μ進入相對穩定的階段． 在穩定階段， 随着溫度增加， μ 逐漸降低． 圖 2(b) 為不同溫度下平均摩擦系數和磨損體積随溫度的變化曲線． 從圖中 可以看出， 平均摩擦系數和磨損體積随溫度升高逐漸減小， 且二者的變化趨勢相同． 這是由于溫度升高， 摩擦氧化作用逐漸增強， 有利于磨屑層的形成， 其發揮承載和減摩的作用逐漸增強。

上海霆鋼金屬集團有限公司

圖 3 為 Inconel600 合金在不同溫度下三維白光幹涉表面磨痕形貌圖． 從圖中能夠看出: 所有溫度下微動都處在典型的部分滑移區; 室溫下磨痕表面凹凸起伏較大， 溫度較高時磨痕表面變得較圓滑; 中心黏着區和環狀滑動區的交界處形貌發生突變， 這裡是微動裂紋的萌生高發區。

上海霆鋼金屬集團有限公司

圖 4 為不同溫度下 Inconel600 合金的磨痕形貌圖及其相應氧元素分布情況． 室溫下中心黏着區劃傷明顯， 呈橢圓狀(圖 4(a) 所示) ， 高溫下中心黏着區沒有明顯劃痕， 呈較光滑的球面壓坑( 圖 4( b) ～ ( d) 所示) ; 所有溫度條件下中心黏着區氧元素分布極少， 氧元素大量分布在環狀滑動區， 說明高溫和室溫下環狀滑動區被大面積氧化． 高溫條件下滑動區的氧元素環邊界較室溫下更加清晰， 說明高溫條件下氧含量更高．随着溫度的升高， 環狀滑動區的面積逐漸減小， 中心黏着區域的面積呈增大趨勢． 這表明提高溫度有利于黏着區的形成， 抑制微滑區的産生。

上海霆鋼金屬集團有限公司

選取280℃下磨痕表面進行中心黏着區和環狀滑動區兩個典型區域的X射線光電子能譜分析，研究磨痕表面氧化物的相組成， 結果如圖5所示． 對比可知，中心黏着區和環狀滑動區的表層相組成差别很大， 中心黏着區存在 Ni、Cr 和 Fe的單質，而環狀滑動區隻有基體 Ni 單質存在; 中心黏着區和環狀滑動區存在氧化物的形式一樣，為 NiO、Cr 2 O 3 和 Fe 3 O 4 。

上海霆鋼金屬集團有限公司

圖 6 為不同溫度下 Inconel600 合金的磨痕中心與邊緣形貌圖．室溫下磨損較嚴重， 中心凹凸不同， 顆粒剝落， 形成剝層(圖 6(a) 所示) ．高溫區的磨損輕微，中心較平滑， 顆粒剝落不明顯， 剝層較少(圖 6(b) ～(d) 所示) ． 随着溫度的升高，中心黏着區和環狀滑動區沿微動方向的劃痕和犁削逐漸減少，表面逐漸變平整。這是由于溫度升高， 氧化速率加快，表面氧化層逐步變厚并牢固的附在基體上， 有好的耐磨性。随溫度的升高，環狀滑動區的寬度逐漸減少( 圖 6( e) ～(h) 所示) 。不論室溫還是高溫條件下， 在中心黏着區和環狀滑動區的交界處都發現了裂紋。

上海霆鋼金屬集團有限公司

圖7為不同溫度微動磨損所得磨痕的橫截面形貌圖， 圖 8 為圖 7 中 A、 B 兩處的局部放大形貌圖． 從圖中可以看出，30、310 和 340 ℃ 在磨痕表面中心黏着區和環狀滑動區的交界處的下方都産生了裂紋， 且裂紋發展方向大緻相同; 但310℃ 和 340℃ 下裂紋萌生數量更少， 發展的長度更小， 這可能是由于溫度升高， 磨屑在接觸表面上逐漸堆積， 使得應力分布均勻， 應力集中有所減弱， 從而阻止裂紋的萌生和擴展。

上海霆鋼金屬集團有限公司

上海霆鋼金屬集團有限公司

圖9為磨痕截面特征區域(1# 、2 # 和 3 # 分别為圖 7中 340 ℃ 條件下中心位置、環狀滑動區位置和垂直于裂紋擴展方向位置) 的能譜結果． 由圖分析可知， 黏着區表面沒有較厚的氧化層形成， 環狀滑動區表面存在約 2 μm 厚的氧化層， 裂紋兩側氧含量很低。

上海霆鋼金屬集團有限公司

結論

(1) 溫度升高有利于黏着區的形成， 抑制滑動磨損的發生， 促使摩擦系數和磨損量逐漸減小。

(2) 摩擦氧化主要發生在磨痕的微化區， 中心黏着的人相對很少; 高溫條件下氧元素分布較室溫下更加聚集。

(3) 中心黏着區表面氧含量較低， 表層存在大量Ni、Cr 和 Fe 的單質; 磨痕表面氧化物由 NiO、 Cr 2 O 3 和Fe 3 O 4 組成。

(4) 室溫和高溫下磨痕表面黏着區和微滑區交界處都産生了微裂紋， 高溫下裂紋萌生在危化區， 與室溫下相比， 高溫下萌生裂紋的數量更少， 長度更小。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!