1、核电 Inconel 690TT合金微动磨损行为及损伤机理研究压水堆核电站蒸汽发生器传热管是有放射性的一回路系统和无放射性的二回路系统的交界面。 管内高温水流致振动和压力变动导致传热管与其支撑部件之间产生微动磨损 , 造成传热管的减薄甚至破裂 , 极大地威胁核电安全。因此 , 开展传热管微动磨损行为及损伤机理的研究 , 不仅对延长传热管的使用寿命 , 提高核电站的运行效率和安全性具有重要意义 , 而且能为核电设备抗微动损伤设计提供理论支撑和工程实践指导。本文以核级Inconel 690TT(thermally treated)合金为研究对象 , 在不同环境 ( 常温大气、高温大气、高温可控氧含
2、量以及高温高压纯水 ) 下, 系统地研究了材料的微动磨损行为及微观损伤机理。同时 , 结合光学显微镜、白光形貌仪、激光共焦扫描显微镜、扫描电子显微镜、电子能谱、X 射线光电子能谱、拉曼光谱、聚焦离子束以及透射电子显微镜等分析手段, 对微动运行区域特性、摩擦系数和磨损量、磨痕亚表面的梯度组织演变、裂纹萌生和扩展进行了细致地分析 , 建立了微动磨损过程中梯度组织演变模型, 取得如下主要结论 :(1) 常温大气环境 : 位移幅值的增加以及径向力的减少均促使微动运行区域特性由部分滑移区转变为混合区, 最终转变为完全滑移区。在部分滑移区 , 氧化磨损主要发生在环状微滑区, 材料由304SS(stainl
3、esssteel)向 690TT的单向转移既能发生于中心粘着区又能发生于微滑区 , 中心粘着区和微滑区的交界处为疲劳裂纹萌生和扩展的高发区。在混合区, 微动磨损的主要机制为剥层磨损、疲劳裂纹的萌生和扩展、氧化磨损以及摩擦副材料的相互转移; 在完全滑移区 , 微动磨损的主要机制为剥层磨损、 氧化磨损以及材料的单向转移。应变梯度和温度梯度的耦合作用导致磨痕亚表层形成梯度纳米结构。基体首先转变为塑性变形层 (PDL), 位错大量聚集于塑性变形层 , 距离表面越远 , 应变越低 ; 塑性变形层以动态再结晶机制转变为等轴纳米晶结构的摩擦磨损转变结构 (TTS); 不完全氧化和机械的耦合作用导致 TTS层
4、转变为混合层 ; 混合层被充分氧化转变为氧化层。一方面 ,材料转移使磨痕亚表层形成双层结构的 TTS,上层主要由铁基 - 镍基混合纳米晶结构组成 , 下层只由镍基纳米晶结构组成。 另一方面 , 材料转移使氧化发生在 304SS磨损的材料上 , 形成了主要含有富铁氧化物的三体层 (TBL) 。(2) 高温大气环境 . 与常温环境相比 , 高温环境微动磨损过程中形成的纳米晶结构的釉质层导致摩擦系数和磨损体积降低。部分滑移区 TTS的形成机制为动态回复 , 且 TTS的晶粒尺寸比完全滑移区的较大。部分滑移区和完全滑移区 TBL中氧化物的类型一致 , 主要为尖晶石结构的 (Ni,Fe)Cr2O4 。在
5、部分滑移区 , 当材料转移发生后 ,TBL 中增加了富铁的氧化物 (Fe2O3和 Fe3O4)。(3) 高温可控氧含量: 低氧环境 (5 vol%) 下氧气优先与 TBL中的 Cr 发生反应生成 Cr2O3,抑制了氧化的进一步进行 , 磨痕表面形成富含 Cr2O3的 TBL,且距离表面越远 ,Cr2O3 的聚集程度越弱。高氧环境 (21 vol%) 中氧气充足 , 氧化反应更充分 , 磨痕表面形成富含尖晶石结构氧化物的 TBL。低氧环境 (5 vol%) 下形成的 TBL只有少量垂直于磨损表面的微裂纹 , 高氧环境 (21 vol%) 下形成的 TBL含有大量随机方向的微裂纹和孔洞。低氧环境
6、(5 vol%) 下的摩擦系数、磨损体积及耗散能更低 , 磨痕表面形成的 TBL具有更好的磨损抗力。 (4) 高温高压纯水环境 : 管/ 平面接触下的微动磨损机制主要为剥层磨损、磨粒磨损、材料转移及氧化磨损。径向力和频率逐渐增加 , 摩擦副的磨损面积和磨损深度逐渐增加 ; 微动导致磨痕亚表层组织呈阶梯式分布 , 由表及里依次为氧化层、 TBL、TTS层、 PDL以及基体。 TTS的形成机制为应力应变导致的动态再结晶。 TTS层中的纳米晶结构为氧的扩散提供了短程扩散通道, 导致椭圆形和条带状的内氧化物Cr2O3弥散的分布于 TTS层。氧化层具有双层结构 , 外层由富 Fe尖晶石结构的 Ni(1-x)Fe(2+X)O4组成 , 内层由不连续分布的 Cr2O3 组成 , 氧化机制为固态氧化和离子沉积的共同作用。TTS的开裂和剥离及表面氧化颗粒的破碎共同促进了TBL 的形成。球/ 平面接触下 , 溶解氧逐渐增加 , 中心粘着区和微滑区的氧化膜厚度逐渐增加。微滑区的损伤机制主要为氧化颗粒造成的点蚀 , 溶解氧的增加导致氧化物颗粒尺寸的增加 , 进而加速了点蚀磨损。/ /
