馮 鑠 陳旭東 湯 瑞 王立聞 張 帆 蔡振兵

1.西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所，成都，6100312.東方電氣集團科學(xué)技術(shù)研究院，成都，611731

0 引言

摩擦與磨損問題廣泛存在于船舶、航空、水利[1-3]等各個領(lǐng)域的裝備之中。近年來隨著核電技術(shù)的快速發(fā)展，核電系統(tǒng)中的磨損問題也得到了廣泛的關(guān)注[4-5]。在第四代鈉冷快堆中，中間熱交換器 (IHX)和蒸汽發(fā)生器(SG)是各回路之間進行熱交換的重要部件。鈉作為高溫冷卻劑流經(jīng)傳熱管時，流速、內(nèi)外壓差[6]等原因會使傳熱管與其抗振條之間發(fā)生微動磨損[7]，導(dǎo)致傳熱管的管壁減薄，甚至發(fā)生破裂泄漏，嚴重影響核反應(yīng)堆的運行安全[8-9]。因此，對核反應(yīng)堆關(guān)鍵傳熱部件微動磨損行為進行研究至關(guān)重要[9-10]。

目前國內(nèi)外的研究主要是針對第二、第三代壓水堆蒸汽發(fā)生器傳熱管的微動磨損。李杰等[10-11]在室溫大氣環(huán)境下研究了不同位移幅值和法向力對Inconel 600和690 TT合金的微動磨損行為的影響。XIN等[12]發(fā)現(xiàn)600MA合金在水環(huán)境和大氣環(huán)境中具有不同的磨損機理。ZHANG等[13]、XIN等[14]研究了Inconel 800和690 TT合金管在高溫大氣環(huán)境中的微動磨損。MING等[15-16]模擬了壓水堆的高溫高壓水環(huán)境，研究了Inconel 690 TT合金材料的微動磨損。盡管已研究了多種環(huán)境中的傳熱管微動磨損，但很少有人關(guān)注介質(zhì)對傳熱管微動磨損的影響。此外，隨著第四代鈉冷快堆研發(fā)的推進，堆內(nèi)的傳熱管材料已由高溫鎳基合金變?yōu)?16奧氏體不銹鋼[17-18]，而國內(nèi)外針對核用TP316H管的微動磨損，特別是不同介質(zhì)環(huán)境下的性能研究較少。因此，筆者在室溫大氣、室溫水、高溫大氣和高溫液態(tài)鈉環(huán)境下對核用TP316H管進行了微動磨損試驗，綜合評價了它在4種不同介質(zhì)環(huán)境下的磨損性能。

1 試驗部分

1.1 試驗設(shè)備

微動磨損在自制的液態(tài)鈉環(huán)境微動磨損試驗機(以下簡稱試驗機)中進行。如圖1所示，試驗機主要由驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、換鈉系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)組成，操作簡便，易于完成不同環(huán)境、溫度、載荷、運動幅值、運動頻率的切向微動磨損試驗。模擬液態(tài)鈉環(huán)境的試驗流程如下：

(1)采用正交接觸的方式(圖1)將柱試樣和管試樣分別裝夾在柱夾具和管夾具上，然后通過升降機將設(shè)備放入鈉罐并用螺栓緊固。

(2)通過加熱陶瓷圈對試驗設(shè)備進行預(yù)熱，直到溫度傳感器反饋溫度到達100 ℃，然后將130 ℃的液態(tài)鈉通過灌鈉管道向鈉罐內(nèi)灌鈉。

(3)灌鈉操作結(jié)束后，通過陶瓷圈加熱試驗設(shè)備使鈉罐內(nèi)部溫度升至450 ℃并保持恒定。在控制機上設(shè)置試驗參數(shù)，啟動音圈電機，通過傳動桿帶動柱試樣進行往復(fù)運動。

(4)試驗結(jié)束后，降低陶瓷圈溫度，使試驗設(shè)備降溫至120 ℃并保持恒定，通過排鈉管道排出液態(tài)鈉。

(5)設(shè)備冷卻至室溫后取出試樣，用無水乙醇清洗后吹干保存。

1.音圈電機 2.傳動桿 3.鈉罐 4.管夾具 5.柱試樣 6.管試樣 7.排鈉管道 8.柱夾具 9.加熱陶瓷圈 10.溫度傳感器 11.灌鈉管道 12.控制機圖1 液態(tài)鈉微動磨損實驗系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of liquid sodium frettingwear experiment system

模擬水、大氣等其他環(huán)境的試驗時，步驟類似，只需更換鈉罐內(nèi)的介質(zhì)即可。

1.2 試驗材料與試樣制備

試驗中所用的管試樣為核用TP316H不銹鋼管，對摩副材料為316H不銹鋼 (均由東方電氣 (成都)中央研究院提供)，其主要化學(xué)成分見表1。成品傳熱管由TP316H經(jīng)熱擠壓成形以及多道次冷軋的工藝制備。使用線切割將成品傳熱管切割成外徑16 mm、管厚1.2 mm、長度55 mm的試樣。所有的試樣在試驗前均需進行打磨、拋光處理，最終得到的表面粗糙度Ra為0.4 μm。試驗之前，使用丙酮、無水乙醇對試樣表面進行清洗并用熱空氣吹干。

表1 試驗材料主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))

1.3 試驗及表征方法

為研究不同介質(zhì)環(huán)境對TP316H管微動磨損性能的影響，設(shè)置了室溫大氣、室溫水、450 ℃大氣以及450 ℃液態(tài)鈉4個試驗環(huán)境，并在各環(huán)境下進行循環(huán)次數(shù)為1×105和2×105的2組實驗。實驗中，法向載荷F為20 N，位移幅值S為50 μm，微動頻率為5 Hz，每組實驗重復(fù)3次以避免試驗誤差[10，19]。試驗數(shù)據(jù)取平均值，誤差為標準差[20]。試驗后，不同階段的磨損率δ為

式中，ΔV為每循環(huán)105次的磨損體積增加量，μm3；N為每階段循環(huán)次數(shù)，N=105。

采用ZD-HVZHT-30高溫維氏硬度儀對TP316H不銹鋼的硬度進行測試。對管試樣截面拋光后，使用草酸溶液進行電解腐蝕，觀察金相組織。采用KEYENCE超景深顯微鏡VHX-7000和Bruker白光干涉顯微鏡對TP316H管試樣的形貌進行表征，并結(jié)合Vision64軟件對測得的形貌數(shù)據(jù)進行處理，得到磨損量。采用Apreo 2C掃描電子顯微鏡 、Oxford Ultim Max65能譜儀 (測試電壓為20 kV)對TP316H管的磨痕表面、橫截面形貌以及元素分布進行表征，揭示TP316H在不同介質(zhì)環(huán)境下的磨損機理。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對材料的影響

不同溫度下TP316H不銹鋼的維氏硬度測試結(jié)果顯示，溫度對TP316H不銹鋼的硬度有較大的影響，450 ℃的維氏硬度為155.6，室溫下的維氏硬度為102，下降了近30%。將TP316H不銹鋼管加熱到450 ℃，并保溫一段時間(與實驗時間相同)，處理后的TP316H不銹鋼與原材料的金相組織如圖2所示，發(fā)現(xiàn)高溫處理不會對TP316H不銹鋼的金相組織產(chǎn)生顯著的影響，450 ℃高溫處理后的金相組織仍為奧氏體。

圖2 不同溫度下TP316H材料的金相組織Fig.2 Metallographic structure of TP316H atdifferent temperatures

2.2 磨損特性分析

不同環(huán)境下磨痕的形貌如圖3所示。室溫大氣環(huán)境下，磨痕表面有一層均勻的黑色氧化磨屑[21](圖3a)；由于流體的沖刷，室溫水環(huán)境下的磨屑更多分布在磨痕的邊緣(圖3b)。隨著溫度升高到450 ℃，大氣環(huán)境下的樣品表面顏色發(fā)生變化，磨痕表面的黑色氧化物增多[20](圖3c)。450 ℃液態(tài)鈉環(huán)境下，磨痕表面和邊緣有少量黑色磨屑附著，類似于水環(huán)境下的磨痕，如圖3d所示。

(a)室溫大氣 (b)室溫水

(c)450 ℃大氣 (d)450 ℃液態(tài)鈉圖3 四種環(huán)境中的磨痕光鏡形貌Fig.3 Super depth field micrographs of worn scarsunder four environments

圖4為磨痕在不同環(huán)境中的三維形貌圖，圖中磨痕截面輪廓如圖5所示。室溫水環(huán)境下的磨痕表面比室溫大氣環(huán)境下的磨痕表面更平整(見圖4a、圖4b、圖5)，這可能是因為水環(huán)境利于磨屑排除，如圖3a、圖3b所示。隨著溫度升高到450 ℃，大氣環(huán)境下的樣品磨痕兩端出現(xiàn)明顯的材料堆積(見圖4c、圖5)[22]。450 ℃液態(tài)鈉環(huán)境下的磨痕表面較光滑，但磨痕中心出現(xiàn)了較明顯的材料轉(zhuǎn)移(見圖4d、圖5)，這可能是因為材料在鈉環(huán)境下發(fā)生粘結(jié)[23]。在不同環(huán)境下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，磨損逐漸加重，磨損深度逐漸增加，如圖4、圖5所示。

磨痕的磨損數(shù)據(jù)如圖6所示。隨著循環(huán)次數(shù)增大，TP316H管的磨損面積、最大磨損深度和磨損體積均逐漸增大，但磨損率逐漸減小。同時，在室溫時，大氣環(huán)境下的磨損量大于水環(huán)境下的磨損量；450 ℃時，液態(tài)鈉中的磨損量大于大氣環(huán)境下的磨損量。在不同溫度的大氣環(huán)境中，循環(huán)次數(shù)為1×105時，450 ℃的磨損體積要大于室溫的磨損體積，循環(huán)次數(shù)增加到2×105后，450 ℃的磨損體積反而小于室溫的磨損體積，如圖6c所示。這說明溫度相同時，介質(zhì)對TP316H管磨損量的影響比循環(huán)次數(shù)大；介質(zhì)相同時，TP316H管的磨損量受循環(huán)次數(shù)的影響較明顯，且受溫度的影響。

2.3 水對磨損性能的影響

為了進一步探究室溫不同介質(zhì)環(huán)境下TP316H管磨損機理的差異，對室溫大氣和室溫水環(huán)境下磨痕表面的微觀形貌進行了表征。室溫大氣環(huán)境下，磨痕表面可見明顯的磨屑堆積、分層、剝落以及裂紋，如圖7a、圖7b所示。室溫水環(huán)境下，磨痕表面可見明顯的犁溝和輕微的剝落，且磨痕周圍有排出的磨屑，如圖7c、圖7d所示。對圖7中的標記點進行EDS分析，發(fā)現(xiàn)水環(huán)境下磨痕表面的氧含量(質(zhì)量分數(shù))為7.80%，大氣環(huán)境下的氧含量為21.64%，這說明大氣環(huán)境下更容易發(fā)生氧化磨損。

(a)室溫大氣環(huán)境

(b)室溫水環(huán)境

(c)450 ℃大氣環(huán)境

(d)450 ℃液態(tài)鈉環(huán)境圖4 四種環(huán)境下的磨痕三維形貌Fig.4 Three-dimensional morphology of worn scar under four environments

圖8、圖9所示分別為室溫大氣和水環(huán)境下的磨痕截面形貌。大氣環(huán)境下，磨痕表面有一層2～5 μm厚且富含氧元素的磨屑堆積層，如圖8b、圖8e所示，圖8b、圖8c中出現(xiàn)了分層裂紋和材料剝落，這說明TP316H管在室溫大氣環(huán)境下的磨損主要為剝層和氧化磨損。水環(huán)境下，磨痕表面幾乎沒有磨屑的堆積，取而代之的是材料損失后的斷口以及輕微的分層裂紋，如圖9d、圖9e所示。此外，在表面檢測到厚度約為1～2 μm的O、Ni元素富集層，這可能是材料中的Ni、Fe、Cr元素在水環(huán)境中產(chǎn)生了含有NiFe2O4和Cr2O3的氧化膜[24]，如圖9c～圖9f所示。與室溫大氣環(huán)境相比，室溫水環(huán)境下的氧化和剝層程度較輕，磨損以磨粒磨損為主。

(a)循環(huán)105次 (b)循環(huán)2×105次圖5 四種環(huán)境下的磨痕截面輪廓圖Fig.5 Sectional profiles of worn scars under four environments

(a)磨損面積 (b)磨損深度

(c)磨損體積 (d)磨損率圖6 四種環(huán)境下磨痕的磨損數(shù)據(jù)Fig.6 Wear data of worn scar under four environments

(a)室溫大氣環(huán)境磨痕形貌(N=1×105) (b)室溫大氣環(huán)境磨痕形貌(N=2×105)

(c)室溫水環(huán)境磨痕形貌(N=1×105) (d)室溫水環(huán)境磨痕形貌(N=2×105)圖7 室溫干態(tài)和水潤滑條件下的磨痕SEM形貌Fig.7 SEM morphology of worn scar in room temperature dry and water

(a)磨痕截面全貌(b)區(qū)域Ⅰ的局部放大圖

(c)區(qū)域Ⅱ的局部放大圖(d)區(qū)域Ⅲ的局部放大圖

(e)為圖(b)區(qū)域的EDS掃描結(jié)果圖8 室溫大氣環(huán)境下的磨痕截面形貌(N=2×105)Fig.8 Cross-sectional morphology of worn scar inroom temperature air environment(N=2×105)

(a)磨痕截面全貌(b)區(qū)域Ⅰ的局部放大圖

(c)區(qū)域Ⅱ的局部放大圖(d)區(qū)域Ⅲ的局部放大圖

(e)區(qū)域Ⅳ的局部放大圖(f)圖c區(qū)域的EDS掃描結(jié)果圖9 室溫水環(huán)境下的磨痕截面形貌(N=2×105)Fig.9 Cross-sectional morphology of worn scar inroom temperature water environment(N=2×105)

2.4 高溫以及液態(tài)鈉對磨損性能的影響

(a)磨痕全貌(b)區(qū)域Ⅰ的局部放大圖

(c)區(qū)域Ⅱ的局部放大圖(d)區(qū)域Ⅲ的局部放大圖圖10 450 ℃大氣環(huán)境下的磨痕形貌(N=1×105)Fig.10 Morphology of worn scar in 450 ℃air environment(N=1×105)

(a)磨痕全貌(b)區(qū)域Ⅰ的局部放大圖

(c)區(qū)域Ⅱ的局部放大圖(d)區(qū)域Ⅲ的局部放大圖圖11 450 ℃大氣環(huán)境下的磨痕形貌(N=2×105)Fig.11 Morphology of worn scar in 450 ℃air environment(N=2×105)

圖10、圖11所示為450 ℃大氣環(huán)境下的磨痕表面微觀形貌，圖12為450 ℃大氣環(huán)境下的磨痕截面微觀形貌。如圖10、圖11所示，磨痕表面存在裂紋和材料的塑性流動，并有一層不連續(xù)的光滑結(jié)構(gòu)。對該光滑結(jié)構(gòu)進行EDS測試(測試點見圖11a)，發(fā)現(xiàn)其中氧元素含量達到了22.84%，這是由于高溫加劇了氧化磨損，產(chǎn)生了更多的氧化磨屑。高溫條件下，氧化磨屑塑性增大，使其更容易被壓實、燒結(jié)[25-27]，在磨痕表面產(chǎn)生一層5～10 μm厚、緊實致密的“釉層”[14]，如圖12b、圖12e所示。未完全壓實、形成“釉層”的部分氧化磨屑則會在機械力的作用下剝落，如圖12d所示。因此，450 ℃大氣環(huán)境下，TP316H管的磨損以剝層、塑性流動和嚴重的氧化磨損為主。隨著后期“釉層”的形成，“釉層”的潤滑作用提高了磨痕表面的耐磨性，這是磨損后期高溫大氣環(huán)境下的磨損體積反而比室溫下小的原因。

(a)磨痕截面全貌(b)區(qū)域Ⅰ的局部放大圖

(c)區(qū)域Ⅱ的局部放大圖(d)區(qū)域Ⅲ的局部放大圖

(e)圖b區(qū)域的EDS掃描結(jié)果圖12 450 ℃大氣環(huán)境下的磨痕截面形貌(N=2×105)Fig.12 Cross-sectional morphology of worn scar in450 ℃ air environment(N=2×105)

(a)磨痕全貌(b)區(qū)域Ⅰ的局部放大圖

(c)區(qū)域Ⅱ的局部放大圖(d)區(qū)域Ⅲ的局部放大圖圖13 450 ℃液態(tài)鈉環(huán)境下的磨痕形貌(N=1×105)Fig.13 Morphology of worn scar in 450 ℃ liquidsodium environment(N=1×105)

(a)磨痕全貌(b)區(qū)域Ⅰ的局部放大圖

(c)區(qū)域Ⅱ的局部放大圖(d)區(qū)域Ⅲ的局部放大圖圖14 450 ℃液態(tài)鈉環(huán)境下的磨痕形貌(N=2×105)Fig.14 Morphology of worn scar in 450 ℃ liquidsodium environment(N=2×105)

(a)磨痕全貌(b)區(qū)域Ⅰ的局部放大圖

(c)區(qū)域Ⅱ的局部放大圖(d)圖c中EDS點掃描結(jié)果圖15 450 ℃液態(tài)鈉環(huán)境下的磨痕截面形貌(N=2×105)Fig.15 Cross-sectional morphology of worn scar in450 ℃ liquid sodium environment(N=2×105)

圖13、圖14所示為450 ℃液態(tài)鈉環(huán)境下的磨痕表面微觀形貌。圖15所示為450 ℃液態(tài)鈉環(huán)境下的磨痕截面微觀形貌。磨痕表面均有大量的裂紋、犁溝和材料剝落，如圖13、圖14所示。對磨痕表面進行化學(xué)元素分析(測試點見圖14a)，結(jié)果顯示其中含有12.61%的O以及5.25%的Na。磨痕表面具有一層2～3 μm厚的不連續(xù)磨屑堆積層，如圖15b、圖15c所示。圖15c中標記點的EDS分析如圖15d所示。磨屑層中檢測到一定濃度的Na和O,說明磨痕表面的磨屑層除氧化物外，還可能存在Na-Cr-O、Na-Fe-O等含鈉的腐蝕產(chǎn)物[23，28-29]。因此不同于其他介質(zhì)環(huán)境，高溫液態(tài)鈉對TP316H管具有一定的腐蝕作用，且產(chǎn)生的含鈉化合物易被機械摩擦作用去除，這是鈉環(huán)境下磨損量最大的原因。

2.5 不同環(huán)境下的磨損機理分析和討論

圖16為不同環(huán)境下的磨損機理簡圖。大氣環(huán)境中的氧含量比水環(huán)境高，導(dǎo)致磨痕表面有氧化磨屑層生成(見圖8)。氧化磨屑層具有一定的減摩作用，但在摩擦力的作用下容易發(fā)生剝層[12]，這不僅會造成較大的磨損量，而且會使基體再次暴露，從而再次被氧化，最終形成氧化-剝離-再氧化的磨損機理，如圖16a所示。水環(huán)境中的含氧量較低且水可以幫助磨屑排出摩擦界面，不會產(chǎn)生嚴重的氧化現(xiàn)象和較厚的磨屑堆積層，磨痕表面僅產(chǎn)生一層很薄的氧化膜(見圖9)，剝層和氧化磨損減輕。水在摩擦界面形成的水膜，以及磨痕表面在水環(huán)境中生成的氧化薄膜均能起到潤滑的作用減輕磨損[12，24]，如圖16b所示，因此室溫時，TP316H管在水環(huán)境下的磨損量要小于大氣環(huán)境下的磨損量，如圖6所示。

(a)室溫大氣 (b)室溫水

(c)450 ℃大氣 (d)450 ℃液態(tài)鈉圖16 磨損機理簡圖Fig.16 Schematics of the wear mechanisms

大氣環(huán)境下，TP316H管表面在溫度升高過程中會被預(yù)氧化[13，20]，表現(xiàn)出淺黃色，如圖3c所示。隨著溫度的升高，材料的硬度下降使得材料更容易在摩擦過程中被去除，同時高溫還加劇了TP316H管的氧化磨損，因此在磨損前期，高溫大氣環(huán)境下的磨損量要大于室溫環(huán)境下的磨損量，如圖6c所示。但是隨著循環(huán)次數(shù)的增加，氧化磨損加劇而產(chǎn)生的大量磨屑在高溫下更容易粘結(jié)在摩擦界面而不是排出，起到很好的三體潤滑作用，同時高溫條件下磨屑燒結(jié)、壓實形成的“釉層”[13-14]也具有減摩作用，這都使得磨損量減小[30]，如圖16c所示，最終導(dǎo)致在磨損后期，高溫大氣環(huán)境下的磨損量反而小于室溫大氣環(huán)境下的磨損量，如圖6c所示。所以，大氣環(huán)境下，溫度的升高會加速TP316H管前期的磨損，造成較大的磨損，而隨著循環(huán)次數(shù)增加，高溫反而有利于減小磨損。

在450 ℃鈉環(huán)境中，TP316H管的磨損機理如圖16d所示。450 ℃液態(tài)鈉環(huán)境中的磨損與高溫大氣和水環(huán)境中的磨損有相似之處。同水環(huán)境一樣，鈉有助于磨屑從摩擦界面排出(見圖3d)。450 ℃液態(tài)鈉環(huán)境中，較厚的不連續(xù)磨屑層出現(xiàn)在磨痕表面(見圖15)，這與高溫大氣環(huán)境一樣；但鈉環(huán)境中的磨損受到了化學(xué)、力、熱三重因素的共同影響，這與高溫大氣和水環(huán)境中的不同。鈉的潤滑性能非常差[23]，且與氧元素有很強的親和力，容易與材料表面的磨屑堆積層發(fā)生反應(yīng)(被腐蝕)[23]，導(dǎo)致磨屑堆積層穩(wěn)定性下降，極易在機械力的作用下被去除，使基體再次暴露在高溫液態(tài)鈉中，加快了鈉對基體的腐蝕。此外，高溫也會加速磨損和腐蝕，一方面，高溫使材料的硬度下降，導(dǎo)致機械摩擦對材料的去除作用增強；另一方面，高溫會改變液態(tài)鈉的表面張力，使其對試樣表面的浸潤性增加，促進液態(tài)鈉的腐蝕[23]。所以在液態(tài)鈉環(huán)境中，鈉的特殊性質(zhì)不適合作為減摩的潤滑劑，反而會在化學(xué)、機械力、高溫的協(xié)同作用下加劇磨損。因此，TP316H管在450 ℃液態(tài)鈉環(huán)境中的磨損量要遠遠大于其他環(huán)境中的磨損量。

3 結(jié)論

(1)溫度相同時，介質(zhì)環(huán)境對TP316H管微動磨損性能的影響最大，水環(huán)境下的磨損量小于大氣環(huán)境的磨損量，高溫大氣的磨損量小于高溫液態(tài)鈉環(huán)境的磨損量。

(2)在大氣環(huán)境下，TP316H管的磨損機理主要為剝層和氧化磨損，溫度升高至450 ℃后，氧化磨損加劇，同時觀察到大量的磨屑粘結(jié)堆積、裂紋以及材料塑性流動，其磨損機理仍然以氧化磨損和剝層為主。在室溫水環(huán)境下，主要磨損為磨粒磨損和氧化磨損。

(3)450 ℃液態(tài)鈉環(huán)境下，液態(tài)鈉的潤滑行為與大氣及水環(huán)境下的作用明顯不同，磨損界面的磨屑較干態(tài)容易排出，溶解在鈉中的雜質(zhì)加速了界面氧化和材料去除。TP316H管的損傷是摩擦機械去除與鈉腐蝕的協(xié)同作用、熱-力-化學(xué)多場耦合作用的結(jié)果。