譚 蔚，田 策

完全滑移區(qū)690TT合金管微動磨損特性研究

譚 蔚1, 2，田 策1

(1. 天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300350；2. 天津大學(xué)浙江研究所，寧波 315201)

針對蒸汽發(fā)生器中傳熱管與防振條的微動磨損行為，采用自主設(shè)計的微動磨損實驗裝置開展了690TT合金管與304不銹鋼板的切向微動磨損實驗，研究了循環(huán)周次對磨損量和磨損機(jī)制的影響．結(jié)果表明：由于初始氧化膜的存在，摩擦系數(shù)經(jīng)歷了跑合、上升、下降和穩(wěn)定階段，穩(wěn)定摩擦系數(shù)約為0.78．t-曲線形狀隨著循環(huán)周次增加由扁平狀逐漸加寬趨近于菱形，穩(wěn)定后保持為平行四邊形，隨著循環(huán)周次繼續(xù)增加，由于磨痕邊緣處磨屑堆積增多，致使最大位移處存在局部較高的t值，但微動運(yùn)行始終處于完全滑移區(qū)．磨損量與循環(huán)周次表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)，隨著循環(huán)周次增加磨損體積首先保持平穩(wěn)增長，＝8×104之后增長明顯，8×104至1×105周次循環(huán)磨損體積增大了將近1倍．＝2×104時主要磨損機(jī)制為磨料磨損和剝層，＝4×104至＝8×104磨料磨損跡象減弱，磨損機(jī)制主要為剝層，＝1×105時磨損機(jī)制為磨料磨損和剝層的混合且犁溝尺寸較大．磨痕亞表層顯微硬度隨循環(huán)周次增加而增大，＝1×105對應(yīng)的磨痕亞表層硬度約為基體的1.5倍，加工硬化顯著．經(jīng)過1×105周次循環(huán)在磨痕亞表面形成了約6μm厚的摩擦磨損結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變(TTS)層，并且在磨痕邊緣存在平行于磨痕表面擴(kuò)展的裂紋，造成了磨痕邊緣處磨屑呈現(xiàn)片狀剝落，材料損傷加劇，導(dǎo)致了在磨損量發(fā)生突變時磨痕輪廓主要表現(xiàn)為寬度的大幅增加．

690TT合金管；循環(huán)周次；微動磨損；加工硬化

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電站中的樞紐，承擔(dān)著將一回路的熱量傳遞至二回路用于發(fā)電的關(guān)鍵作用，其內(nèi)部的傳熱管是主要的熱量交換部件，也是壓力邊 界[1]．由于殼程流場的湍流作用，傳熱管的流致振動難以避免，又因為傳熱管與支撐件因裝配存在的間隙，致使傳熱管在湍流激勵作用下會與支撐件之間產(chǎn)生微動磨損[2-3]．磨損的長期累積會導(dǎo)致傳熱管破裂進(jìn)而造成一回路具有放射性的介質(zhì)泄漏，危害重大[4].

Inconel690合金以其良好的力學(xué)性能和抗晶間腐蝕能力已被廣泛應(yīng)用于蒸汽發(fā)生器傳熱管[5]．目前關(guān)于690合金的微動磨損研究主要為實驗探究，蔡振兵和陽榮等[6-7]在大氣和水環(huán)境中開展了690合金管沖擊實驗，結(jié)果表明隨沖擊載荷增加，磨痕表面硬度增大磨損加劇，但是水介質(zhì)可以延緩裂紋開裂．唐攀和米雪等[8-9]研究了法向載荷和位移幅值對690合金微動磨損特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著法向載荷增加，磨損加劇但是摩擦系數(shù)下降，隨位移幅值增大運(yùn)行狀態(tài)由部分滑移區(qū)向混合區(qū)和完全滑移區(qū)轉(zhuǎn)變，磨損體積和磨損率均增加．

Li等[10]研究了水環(huán)境中690合金亞表面的損傷形式，主要包括塑性變形、氧化、疲勞和剝層．Lai 等[11]和Guo等[12]通過高溫水環(huán)境下的微動磨損實驗，得出溫度對690合金的磨損機(jī)制有重要影響，較低的溫度對應(yīng)了較大的磨損深度，不同的對摩副材料影響著氧化膜的組成．Wang等[13]研究了介質(zhì)pH值對690合金微動磨損特性的影響，酸性環(huán)境中摩擦系數(shù)隨pH值增加而增大，但堿性環(huán)境中摩擦系數(shù)隨pH值變化趨勢相反．

目前針對蒸汽發(fā)生器傳熱管的微動磨損實驗研究大都基于改變加載條件和運(yùn)行環(huán)境，對于磨損行為隨循環(huán)周次的變化特性研究主要基于管十字交叉和球/板的點接觸方式[14-16]，而傳熱管在實際工況中是基于管/板線接觸的方式與防振條發(fā)生磨損．為了探究管/板接觸方式下蒸汽發(fā)生器換熱管微動磨損行為隨循環(huán)周次的演變規(guī)律，本文立足于工程實際，采用未經(jīng)表面處理的收貨態(tài)國產(chǎn)690TT合金管開展切向微動磨損實驗，探究磨損量和損傷機(jī)制隨循環(huán)周次的演變過程，以期為蒸汽發(fā)生器傳熱管的磨損壽命預(yù)測提供參考．

1 實驗材料和方法

管試樣為收貨態(tài)國產(chǎn)690TT合金管(簡稱690TT合金管)，外徑17.48mm，壁厚1.01mm，采用線切割技術(shù)將合金管加工成長30mm的管段．板試樣為304不銹鋼板，切割成18mm×10mm×6mm的片狀試樣，分別用180#、600#、1000#、1500#、2000#砂紙對304不銹鋼(304SS)板的磨損接觸面進(jìn)行機(jī)械拋光．實驗開始前在無水乙醇中對處理好的對磨試樣進(jìn)行超聲清洗，以去試樣表面殘留的雜質(zhì)．

690TT合金管和304不銹鋼板的材料組成成分如表1所示．

在室溫(20～25℃)大氣環(huán)境下以管/板線接觸的方式開展切向微動磨損實驗，法向載荷n設(shè)置為30N，位移幅值為200μm，微動頻率10Hz，微動周次分別設(shè)置為2×104、4×104、6×104、8×104、1×105．實驗采用自主設(shè)計的微動磨損實驗裝置如圖1所示，以彈簧作用于690TT合金管進(jìn)行法向加載使管試樣貼合于板試樣，以步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動器帶動管試樣產(chǎn)生微幅振動，位移傳感器和力傳感器布置方式如圖1所示，可實時測量微動運(yùn)行過程中管試樣的位移、管/板的接觸壓力n以及對磨產(chǎn)生的切向摩擦力t，由信號采集器記錄時域數(shù)據(jù)，采樣頻率為100Hz．

實驗測量用各儀器的規(guī)格型號及精度如表2 所示．

表2 實驗測量儀器及精度

實驗結(jié)束后將690TT合金管試樣置于無水乙醇中進(jìn)行超聲清洗，并用電吹風(fēng)吹干以去除磨痕表面的雜質(zhì)．采用非接觸式三維表面輪廓儀測量磨痕三維形貌獲得磨損體積，采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDS)分別表征磨痕表面微觀形貌和元素成分，進(jìn)而揭示不同循環(huán)周次對應(yīng)的磨損機(jī)制．分別使用180#、600#、1000#、1500#、2000#、3000#、4000#的水砂紙對磨痕剖面進(jìn)行機(jī)械拋光，然后利用光學(xué)顯微鏡(OM)對磨痕剖面形貌進(jìn)行觀測以探究磨痕輪廓變化趨勢．為探究磨痕亞表層損傷機(jī)制，對經(jīng)過機(jī)械拋光的磨痕剖面在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的草酸水溶液中進(jìn)行電解腐蝕，690TT合金管試樣為陽極，不銹鋼片為陰極，采用直流電源，電壓設(shè)置為6V，腐蝕15s，利用SEM觀測磨痕剖面的微觀組織形貌．

為了探究磨損過程中的加工硬化現(xiàn)象，采用顯微硬度計(HXD-1000TM/LCD)對磨痕亞表層的顯微硬度進(jìn)行測量．

2 結(jié)果分析

2.1 摩擦系數(shù)與Ft-D曲線

摩擦系數(shù)隨循環(huán)周次變化規(guī)律如圖2所示，摩擦系數(shù)為管/板切向摩擦力t與法向接觸力n的比值，本文取每個循環(huán)周次內(nèi)摩擦系數(shù)最大值．由于收貨態(tài)690合金管表面存在一定厚度的氧化膜，所以在對磨過程中摩擦系數(shù)經(jīng)歷了完整的跑合、上升、下降和穩(wěn)定階段，最終穩(wěn)定在0.78附近．

圖2 摩擦系數(shù)曲線

圖3是微動磨損運(yùn)行過程中對應(yīng)的t-曲線隨循環(huán)周次的演化規(guī)律．從圖3中可以看出，t-曲線形狀始終保持為平行四邊形，根據(jù)二類微動圖理論可知，在本文控制的加載條件下微動運(yùn)行過程始終處于完全滑移區(qū)，對摩副之間發(fā)生了較大的相對運(yùn)動[17].如圖3(a)所示，＝1時由于690合金管表面氧化膜相對光滑使得對摩副初始接觸產(chǎn)生的摩擦力很小，但是位移較大，因此對應(yīng)的t-曲線呈現(xiàn)扁平狀；＝10時隨著循環(huán)周次增加氧化膜破損，對摩副的基體材料開始接觸，摩擦力增大，對應(yīng)的t-曲線加寬；＝100時，基體金屬已經(jīng)接觸得較為充分且接觸表面出現(xiàn)彈塑性變形并產(chǎn)生黏著，此時摩擦力隨位移近線性增加，對應(yīng)的t-曲線近似為菱形；材料表面的微小凸體在對摩過程中會剝落形成磨屑，而磨屑在對磨面之間會起到固體潤滑的作用，阻礙對磨面直接接觸，使得摩擦力下降，但是此時磨屑產(chǎn)生量不足以將對磨面完全分離，部分區(qū)域仍為金屬直接對摩，所以＝1000時t-曲線呈現(xiàn)為平行四邊形且摩擦力t隨位移有所波動；隨著磨損過程繼續(xù)進(jìn)行對摩副之間產(chǎn)生的磨屑會被排出磨損區(qū)域，當(dāng)磨屑產(chǎn)生量與排出量達(dá)到動態(tài)平衡時，磨損過程對應(yīng)的t-曲線形狀也會趨于穩(wěn)定，對比＝1×104和＝2×104相對應(yīng)的t-曲線可知微動磨損過程進(jìn)入了相對穩(wěn)定階段．隨著循環(huán)周次繼續(xù)增大，t-曲線雖整體保持為平行四邊形，但局部形狀有所變化，如圖3(b)所示，＝6×104和＝1×105時，最大位移(±200μm)處局部摩擦力大于同循環(huán)的其他位置，并且循環(huán)次數(shù)越大趨勢越明顯，表現(xiàn)出了非庫倫摩擦行為[16]，這可能是磨屑在磨痕邊緣處堆積導(dǎo)致局部微動運(yùn)行阻力增大所致．

圖3 不同循環(huán)周次下Ft-D曲線

2.2 磨損輪廓與磨損體積

圖4是690TT合金管經(jīng)過不同循環(huán)周次磨損所形成磨痕的三維形貌，因為本文控制304不銹鋼板的寬度為10mm，所以各磨痕的長度都較為接近，約為10mm，對于304不銹鋼板的拋光在一定程度上保證了對摩副之間較為完整的貼合，因此不同循環(huán)周次對應(yīng)的磨痕形貌主要區(qū)別在寬度和深度．＝2×104時，磨痕表面仍存在少量未被磨損區(qū)域，可能是由于690TT合金管表面的氧化膜分布不均所致，可觀察到少量剝落坑和較多犁溝，此時的磨損情況整體較為輕微；＝4×104時，沿整個磨痕長度方向的磨痕形貌趨于一致，但未見向深度方向大幅擴(kuò)展；＝6×104時，磨痕已經(jīng)貫穿整個磨損區(qū)域，并且在磨痕中間位置磨損深度明顯增加，磨痕表面呈現(xiàn)鋸齒狀，形貌變得粗糙．＝8×104時在整個磨痕長度范圍內(nèi)，磨損深度都有所增加．＝1×105時磨痕輪廓顯著增大，磨痕寬度大幅增加，磨痕表面分布著較大尺寸的剝 落坑．

圖4 690TT合金管磨痕三維形貌

圖5是各循環(huán)周次對應(yīng)的690TT合金管磨損體積．在8×104循環(huán)周次之前，磨損體積隨著循環(huán)周次的增加平穩(wěn)增大，但是從8×104到1×105次循環(huán)磨損體積增加了近1倍，增幅明顯．與圖4磨痕輪廓變化相符，由此推測從8×104至1×105周次循環(huán)磨損機(jī)制發(fā)生了較大變化．

圖5 690TT合金管磨損體積

2.3 表面形貌和元素分析

不同循環(huán)周次對應(yīng)的磨痕中心區(qū)域掃描電鏡形貌如圖6所示．＝2×104時，磨痕表面附著有較多的氧化磨屑呈現(xiàn)灰黑色，這是由于690TT合金管表面氧化膜剝落后來不及排出被壓實在材料表面．此外，在磨痕表面可以觀測到大量平行于微動方向的劃痕和一定數(shù)量的犁溝，結(jié)合三維形貌圖4(a)觀察到的剝落坑，說明此時的磨損方式主要是磨料磨損和剝層．＝4×104時，表面氧化膜明顯減少，相比于＝2×104犁溝和劃痕數(shù)量顯著降低，但是可以觀察到剝落坑，說明此時對摩副基體材料之間接觸充分，主要磨損機(jī)制為剝層；＝6×104時，剝層尺寸明顯加大，說明剝層加劇，細(xì)小的氧化磨屑在剝落坑內(nèi)聚集.＝8×104和＝1×105時均在磨痕表面觀測到了剝層裂紋，＝1×105時磨痕表面的裂紋數(shù)量顯著增多，并且出現(xiàn)了大尺寸的犁溝，此時磨損機(jī)制為磨料磨損和剝層．綜上所述，從＝2×104至＝1×105過程中主要磨損機(jī)制從磨料磨損和剝層轉(zhuǎn)變?yōu)閲?yán)重剝層最終為大尺寸的磨料磨損和剝層的混合磨損 機(jī)制．

圖6 690TT合金管磨痕表面掃描電鏡形貌

圖7為＝6×104時，磨痕表面EDS掃描結(jié)果，掃描路徑為圖中白色線段，方向平行于微動方向，掃描區(qū)域包含磨損區(qū)和未磨損區(qū)．通過對比磨損區(qū)和未磨損區(qū)的元素含量，可以看到整個磨損區(qū)域氧元素含量明顯高于未磨損區(qū)，說明在閃溫機(jī)制作用下磨痕表面發(fā)生了氧化，部分剝落的磨屑來不及排出經(jīng)過對摩副反復(fù)擠壓形成氧化磨屑附著于磨痕表面或在剝落坑內(nèi)聚集，與掃描電鏡觀測到的結(jié)果相符．值得注意的是，在磨痕邊緣位置出現(xiàn)了較高的氧峰，說明被排出的氧化磨屑向磨痕邊緣堆積，與圖3(b)中的t-曲線結(jié)果一致．靠近磨痕中心區(qū)域鐵元素含量有所增加是鐵的富集區(qū)，但是在該區(qū)域氧元素的分布有明顯波動，高鐵高氧區(qū)主要是由于磨屑在剝落坑里堆積[18]，高鐵低氧區(qū)說明此處鐵元素源于對摩副304不銹鋼的材料轉(zhuǎn)移，結(jié)合整個磨痕區(qū)域的鎳和鉻元素相較于未磨損區(qū)的低含量，進(jìn)一步證實了材料轉(zhuǎn)移的發(fā)生．材料轉(zhuǎn)移意味著黏著磨損的存在，結(jié)合電鏡觀測結(jié)果可知，＝6×104時磨痕中心區(qū)域黏著磨損和剝層共存，造成了磨痕局部深度的增大．

圖7 磨痕表面元素分析結(jié)果

2.4 剖面分析

圖8是690TT合金管磨痕橫截面輪廓曲線．由于剝落坑主要集中于磨痕中間區(qū)域，因此磨痕橫截面中間位置向下凹陷，但可以注意到磨痕邊緣存在不同程度的隆起，結(jié)合圖7磨痕邊緣處的高氧峰，進(jìn)一步說明磨屑在磨痕邊緣處堆積．

圖9是各循環(huán)周次對應(yīng)的690TT合金管磨痕剖面形貌．＝2×104時磨痕表面覆蓋有少量磨屑，磨痕較淺且整體相對平緩；＝4×104磨痕表面磨屑增多，磨屑尺寸增大，這是由于磨痕表面的初始氧化磨屑大面積被排出并夾雜有基體金屬的剝落；當(dāng)＝ 6×104時磨痕局部深度有所增加，根據(jù)電鏡分析結(jié)果，這是由于剝層加劇所致；＝8×104時磨痕整體深度增大，并且磨痕表面可觀察到多個微裂紋；＝ 1×105時，在磨痕邊緣出現(xiàn)了較大的橫向裂紋擴(kuò)展并伴隨著大片的材料剝落，磨痕寬度明顯增大，相較于 8×104周次循環(huán)磨痕寬度增加了43%，由此可見，由于邊緣處裂紋的形成和擴(kuò)展，在8×104次循環(huán)之后在磨痕表面產(chǎn)生了大量的材料剝落致使磨痕輪廓沿寬度方向大幅增加．

圖8 690TT合金管磨痕剖面輪廓曲線

圖9 690TT合金管磨痕剖面形貌

由于1×105周次循環(huán)對應(yīng)的磨痕損傷嚴(yán)重，因此對其亞表層組織進(jìn)行深入分析．圖10是＝1×105磨痕的剖面微觀組織形貌，在磨痕邊緣位置已經(jīng)形成了較明顯的摩擦磨損結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變(TTS)層[14]，并且在TTS層出現(xiàn)了與磨痕表面近似平行的裂紋，當(dāng)亞表層的橫向裂紋與垂直于磨痕表面的縱向裂紋相交則會產(chǎn)生片狀剝層．根據(jù)Rigney等[19]的研究，TTS層由于具有復(fù)雜的位錯結(jié)構(gòu)和較高的堆垛層錯能量，致使裂紋極易在TTS層邊界處成核和擴(kuò)展，由此可推斷在磨痕亞表層裂紋出現(xiàn)位置至磨痕表面所對應(yīng)距離大致為TTS層的厚度，經(jīng)過掃描電鏡下的顯微測量，＝1×105次循環(huán)所對應(yīng)磨痕亞表面TTS層平均厚度約為6μm．

圖10 690TT合金管剖面微觀組織

對摩副微動磨損過程會對金屬亞表層產(chǎn)生冷軋作用從而導(dǎo)致材料亞表面加工硬化，硬度提高會在一定程度上提高材料的抗磨性能．為表征循環(huán)周次對磨痕亞表面加工硬化的影響，對各循環(huán)周次對應(yīng)的磨痕進(jìn)行亞表層顯微硬度表征，在距離磨痕表面6μm的范圍內(nèi)，沿磨痕寬度方向等間距選取5個點進(jìn)行硬度測試，并對各測點的硬度值取平均，結(jié)果如圖11所示，隨著循環(huán)周次的增加磨痕亞表層的硬度逐步增大，這對應(yīng)了TTS層的形成過程，經(jīng)過1×105周次循環(huán)磨痕亞表層的顯微硬度相比于未受磨損影響的基體增大了約1.5倍，所以當(dāng)循環(huán)周次由8×104增加至1×105時磨痕深度增幅較小，但是磨痕寬度由于邊界處的裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生大片剝層而顯著增大，從而導(dǎo)致了磨損量的大幅增加．

3 結(jié) 論

本文通過開展收貨態(tài)690TT合金管與304不銹鋼板的切向微動磨損實驗，根據(jù)對摩副在磨損過程中表現(xiàn)出的力學(xué)行為并結(jié)合相應(yīng)的微觀表征和元素分析主要得出以下結(jié)論．

(1) 收貨態(tài)690TT合金管在與304不銹鋼板對磨過程中，摩擦系數(shù)首先會快速增大然后降低最終穩(wěn)定在0.78附近，對應(yīng)的t-曲線形狀由扁平逐漸加寬接近于菱形最后保持為平行四邊形．

(2) 在完全滑移區(qū)，磨損量會隨著循環(huán)周次增多而增大，＝8×104之后出現(xiàn)了突變，主要是由于磨痕邊緣的裂紋擴(kuò)展致使材料大片剝落．＝2×104時磨損機(jī)制為磨料磨損和剝層，＝4×104至＝8×104主要磨損機(jī)制為剝層，其中＝6×104時磨痕中心區(qū)域伴隨有黏著磨損；＝1×105時磨損機(jī)制為磨料磨損和剝層的混合機(jī)制，材料損傷嚴(yán)重．

(3) 磨痕亞表層硬度隨著循環(huán)周次增加而增大，提高了材料抗磨性能，導(dǎo)致了在8×104至1×105周次循環(huán)中磨痕輪廓主要表現(xiàn)為寬度方向的大幅增加，因此在工程應(yīng)用中對換熱管進(jìn)行一定的表面強(qiáng)化處理提高其表面硬度可減緩磨損向深度方向的擴(kuò)展，提高傳熱管的使用壽命．

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Fretting Wear Characteristics of 690TT Alloy Tube Under Gross Slip Conditions

Tan Wei1, 2，Tian Ce1

(1. School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. Zhejiang Institute ofTianjin University，Ningbo 315201，China)

To investigate the fretting wear behavior of heat transfer tubes and supports in the steam generator，this study uses a self-designed fretting wear rig to perform a tangential fretting wear test of a 690TT alloy tube against a 304 stainless steel(304SS) plate and investigates the influence of cycles on wear volume and mechanism. The results show that the friction coefficient undergoes running-in，rising，falling，and stable stages with a constant of about 0.78 due to the existence of the initial oxide film. Thet-curves gradually transformed from a flat shape to a rhombus shape due to the broadened width direction and remain a parallelogram after being stabilized. Meanwhile，the accumulation of wear debris at the edge of the wear scar increases as the number of cycles is increased，resulting in a higher local fretting resistancetat the maximum displacement，indicating that the micro-movement operation is always in the gross slip condition. There is a clear positive correlation between the amount of wear and the number of cycles. The wear volume initially exhibits a slow increase. After increasing the number of cycles to＝8×104，a significant increase in the wear volume is observed. The wear volume of the tube for＝1×105was approximately twice larger than that for＝8×104. For＝2×104，the main wear mechanisms include abrasive wear and delamination. Between＝4×104and＝8×104，there were weaker signs of abrasive wear，while delamination becomes the dominant wear mechanism. For＝1×105，the wear mechanism isa combination of abrasive wear and delamination，and the furrow size is observed to be large. The microhardness of the scar sub-surface layer increased with an increased number of cycles. The hardness of the scar sub-surface layer corresponding to＝1×105is about 1.5 times that of the matrix with a remarkable work hardening. After 1×105cycles，a 6μm thick TTS layer is formed on the sub-surface of the wear scar，and there are cracks extending parallel to the surface at the edge of the scar，causing the wear debris at the edge of the scar to flake off. In addition，the material damage is aggravated，which leads to a significant increase in the width of the scar profiles when the wear volume suddenly changes.

690TT alloy tube；number of cycle；fretting wear；work hardening

TL353

A

0493-2137(2022)09-0895-08

10.11784/tdxbz202103041

2021-03-23；

2021-04-20.

譚 蔚（1965— ），女，博士，教授.

譚 蔚，wtan@tju.edu.cn.

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2018YFC0808502)；MAI-SN博士培養(yǎng)項目.

the National Key Research and Development Program of China(No. 2018YFC0808502)，the Doctoral Training Program by MAI-SN.

(責(zé)任編輯：田 軍)