（材料科学与工程专业论文）Ⅰ800合金高温微动磨损特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第i 页 摘要 能源已成为严重制约我国经济持续发展的战略问题，而核能则是解决能 源问题的重要途径之一。蒸汽发生器管是核电设备中的重要组成部分，微动 磨损是蒸汽发生器管破裂的主要原因之一。因此，研究蒸汽发生器管的高温 微动磨损及其损伤机理对延长蒸汽发生器管服役寿命和提高蒸汽发生器管的 使用可靠性具有重要意义。 使用p l i n t 高温微动磨损试验机，在法向载荷5 0n 和8 0 n ，位移幅值2 , - - - 8 0ui l l ，不同温度( 2 5 、3 0 0 和4 0 0 ) 条件下，研究了核电蒸汽发生器 导热管材料i 一8 0 0 合金的微动磨损特性。在微动运行规律分析的基础上，结 合光学显微镜、扫描电镜以及能谱分析，取得的研究结果如下： ( 1 ) 1 - 8 0 0 合金在三种温度下微动运行均遵循微动图理论，i 一8 0 0 合金微动 运行区域由部分滑移区、混合区和滑移区组成。 ( 2 ) 当载荷和温度相同时，随着位移幅值增加，i 一8 0 0 合金微动运行状态经 历了从部分滑移区向混合区和滑移区的规律性转变：温度改变对微动运行区域 影响较小。 ( 3 ) 在混合区和滑移区，稳态摩擦系数随温度的升高而降低，是因为温度 升高，摩擦氧化作用加剧，氧化物第三体形成并具有减膜作用；部分滑移区， 温度对稳态摩擦系数影响较小。 ( 4 ) i 一8 0 0 合金在室温( t = 2 5 ) 条件下，微动磨损机制以磨粒磨损和氧化 磨损为主。而在温度分别为t = 3 0 0 和t = 4 0 0 时，i 一8 0 0 合金材料的磨损机制 主要表现为摩擦氧化、磨粒磨损与剥层的共同作用。 关键词：核电材料；i - 8 0 0 合金；蒸汽发生器；高温；微动磨损； a b s t r a c t e n e r g y h a sb e e nas t r a t e g i cp r o b l e mw h i c h l i m i t s s u s t a i n i n ge c o n o m y d e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n h o w e v e r , n u c l e a re n e r g yi s o n eo ft h em ainp a t h st o s o l v et h ee n e r g yi s s u e as t e a mg e n e r a t o r ( s g ) t u b em a t e r i a l s i nn u c l e a rp o w e r p l a n t si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t s f r e t t i n gw e a r h a sb e c o m eo n eo ft n e p r i m a r yr e a s o nt os t e a mg e n e r a t o r ( s g ) t u b ec r a c k i n g s oi n v e s t i g a t i o no nf r e t t i n g w e a ra n dd a m a g em e c h a n i s m so fs t e a mg e n e r a t o r ( s g ) t u b ea th i g ht e m p e r a t u r ea r e o fg r e a ti m p o r p t a n c ei np r o l o n g i n gs t e a mg e n e r a t o r ( s g ) t u b e l i f ea n di m p r o v i n g t h e r e l i a b i l i t yo fs t e a mg e n e r a t o r ( s g ) t u b e t h ef r e t t i n gw e a rb e h a v i o ro fa l l o y - 8 0 0s t e a mg e n e r a t o rt u b em a t e r i a l sh a sb e e n i n v e s t i g a t d e do nad e l t a l a b - n e n e 7u n d e rn o r m a ll o a d ( 8 0 n ) ，d i s p l a c e m e n ta m p l i t u d e s ( 2 - 8 0 r t m ) a n dt e m p e r a t u r e s ( 2 5 c 、3 0 0 。c a n a l4 0 0 0 c ) f r e t t i n gw e a r b e h a v i o u r sw g r e a n a l y z e di nc o m b i n a t i o nw i t hm i c r o s c o p i ce x m i n a t i o n st h r o u g ho p t i c a ln n c r o s c o p e ， 1 a s e rc o n f o c a ls c a n n i n gm i c r o s c o p y ( l c s m ) a n ds c a n n i n gm i c r o s c o p e ( s e m ) - t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e d 1 f r e t t i n gr u n n i n gr u l eo fa l l o y - 8 0 0s t e a mg e n e r a t o rt u b em a t e r i a l so b e yt h e f r e t t i n gm a p st h e o r yu n d e r t h r e et e m p e r a t u r e s f r e t t i n gr u n n i n gr e g i m e so fa l l o y 。8 0 0 s t e 锄g e n e r a t o rt u b em a t e r i a l sa r em a d eu po f p a r t i a ls l i pr e g i m e ，m i x e dr e g i m ea n d s l i pr e g i m e 2 t h ef r e t t i n gr e g i m eo fa l l o y - 8 0 0i st r a n s f o r m e df r o mp a r t i a ls l i pr e g t m e i n t o m i x e df r e t t i n gr e g i m ea n dg r o s ss l i pr e g i m eb yi t sf r e t t i n gb e h a v i o rw i t hl n c r e a s l n g d i s p l a c e m e n ta m p l i t u d ea tt h es a m e n o r m a ll o a da n dt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s f r e t t i n g r e g i m ea l m o s tn o tc h a n g e w i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e 3 t h ef r i c t i o nc o e 伍c i e n t sd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r ei n m i x e d f r e t t i n gr e g i m e a n d g r o s s s l i pr e g i m e ：w i t h t h et e m p e r a t u r ec h a n g e s f r o m 2 5 * ct 0 4 0 0 * c ，f r i c t i o no x i d a t i o nh a v ea a c c e l e r a t e do x i d a t i o nf u n c t i o n ，o x i d a t i o n b o d vh a db e e ne a s e df i l md u et ow e a rd e b r i si nt h ep r o c e s so ff r e t t i n gw 型竺e r , 西南交通大学硕士研究生学位论文第iii 页 f o rp a r t i a l s l i pr e g i m et h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t sh a r d l yc h a n g ew i t ht h ec h a n g eo f t e m p e r a t u r e 4 a b r a s i v ew e a ra n do x i d a t i o na r em a i nf r e t t i n gw e a rm e c h a n i s m so fa l l o y - 8 0 0a t t h et e m p e r a t u r e ( t = 2 5 。c ) t h ef r e t t i n gw e a l m e c h a n i s m so fa l l o y - 8 0 0e x h i b i t e d m a i n l y f r i c t i o n o x i d a t i o n ，a b r a s i v ew e a l a n dd e l a m i n a t i o nm e c h a n i s ma th i g h t e m p e r a t u r e s ( t = 3 0 0 。c a n dt = 4 0 0 。c ) k e yw o r d s ：n u c l e a rp o w e rm a t e r i a l ：a l l o y - 8 0 0 ；s t e a mg e n e r a t o r ；h i g h t e m p e r a t u r e ；f r e t t i n gw e a r 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打4 ) 学位论文作者签名： 日期：7 1 年 己乞。期 j g 月( 口 指导教师签名： 日期c i c 伊7 年 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑蕈声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其它个人或集体己经发 表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中做了详 细的说明。本人完全意思到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 研究方法上采用圆管圆柱垂直交叉接触方式，进行高温微动磨损实验研 究，能够真实反映核电蒸汽发生器实际运行工况。 ( 2 ) 对核电1 - 8 0 0 合金管微动磨损特性的研究发现，温度对摩擦氧化作用的影 响存在区域性差异，在混合区和滑移区温度升高显著促进摩擦氧化作用发生，并使稳 态摩擦因数降低。 学位论文作者签名： 日期：刁年6 月l 拓穆 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 微动摩擦学及其相关理论和方法 微动( f r e t t i r l 曲是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热循环等交变载 荷作用下，接触表面之间发生的极小振幅( 微米量级) 的相对运动“，这些接触 表面通常名义上是静止的，即微动发生在“紧固”配合的机械部件中。微动可 导致接触表面的磨损，产生磨屑，引起构件咬合、松动，噪声增加或形成污染 源，并进一步导致材料表层裂纹的萌生和扩展，使零部件的使用寿命显著降低。 微动摩擦学是研究微动运行机理、损伤、测试、监控、预防的学科，涉及到学 科如机械、材料、力学、物理、化学甚至生物医学、电工等。 1 1 1 微动的分类 实际的微动现象十分复杂，根据简化的球平面接触模型，按照相对运动 方向的不同，微动可以分为四类基本运行模式( 如图卜1 所示) 切向式微动( 也 叫平移式微动) 、径向式微动、滚动式微动和扭动式微动3 1 。且前绝大多数研究 集中在切向微动模式，对后三种微动模式的报道相对很少。 1 9 h 长 土 6 7 ( a ) 切向微动( b ) 径向微动( c ) 滚动微动( d ) 扭动微动 图1 1 四种基本微动运行模式示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 按微动产生的破坏特征以及其它综合因素，微动通常分为以下三种模式“5 1 。 ( 1 ) 微动磨损( f r e t t i n gw e a r ) ：是指接触表面问的相对位移是由外界振 动引起的微动，接触构件只受局部接触载荷，或者承受固定的预应力( 如拉、 压、弯曲应力等) 。 ( 2 ) 微动疲劳( f r e t t i n gf a t i g u e ) ：是指接触表面问的相对位移是由一 接触体承受外界交变疲劳应力引起变形而产生的微动。 ( 3 ) 微动腐蚀( f r e t t i n g c o r r o s i o n ) ：在腐蚀性介质( 如海水、酸雨、腐 蚀性气氛等) 中的微动模式。 睁富嚣 a )( b li c ) 图卜2 微动的分类示意图 ( a ) 微动磨损；( b ) 微动疲劳；( c ) 微动腐蚀； 1 1 2 常见微动损伤现象 微动损伤普遍存在于机械行业、航空航天器、核反应堆、电力工业、桥梁 工程、汽车、铁路、船舶、电力工业、电信装备和人工植入器官等领域“1 的紧 密配合部件中。随着高科技领域对高精度、长寿命和高可靠性的要求，以及各 种工况条件的苛刻，微动损伤的危害日益凸现。微动损伤已成为一些关键零部 件失效的主要原因之。文献研究和实际调查发现，在各种装备系统中，只要 接触件作微幅相对运动，就会出现微动损伤，微动现象主要发生在以下几类配 合件中呲7 “： # 各种联接件，包括各种螺栓、铆钉、销联接和搭接： # 各种过盈配合，如轮轴、瓦轴类部件； # 桥梁拉索、航空母舰飞机降落控制缆和矿井提升钢丝绳等绳索内部钢丝 与钢丝之间； r 厶 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 # 各种间隙配合件、在振动工况下产生径向的冲击微动； # 弹性支撑机构，如核反应堆中弹性支持件之间因热循环产生径向微动损 伤； # 紧固构件，如内燃机车柴油机连杆盖与连杆紧配合齿形结合面上产生的 微动疲劳裂纹； # 电接触部件，在电气设备中，带电接触部件在外加机械振动的传入、交 变电磁作用或热振动产生不同热膨胀等条件下可以产生微动损伤，造成电信号 失真或失灵，也可能形成间隙产生放电； # 滚珠轴承中的伪布氏压痕，在轴承滚珠或滚柱与座圈之间，在交变载 荷作用下产生径向微动，形成伪布氏压痕( 与布氏硬度压痕相似的凹坑) ； # 人工植入部件，如人工关节和种植义齿在体骨的配合处，由于人体的局 部运动，使植入部件产生微动损伤，其磨屑可引发肌体感染，严重的损伤甚至 造成植入件的破损。 1 1 3 微动的主要理论和方法 1 1 3 1 早期的微动磨损理论 t o m l i s i o n 阳“们认为微动磨损是分子磨损的过程，即分子吸引是导致材料脱 落的主要原因。g o d f r e y 妇等认为黏着使颗粒从表面脱落，在挤出接触面的同 时发生氧化。材料剥离产生的磨损过程主要是机械作用，氧化行为是次要因素。 u h l i gn 列认为微动磨损过程与化学及机械两方面的因素有关，并推导出最早的 微动磨损定量表达式，接触表面的微凸体在相对运动的过程中，将表面氧化和 吸附层刮掉，产生金属磨屑，这是机械作用：在微凸体通过之后，新新鲜金属 将立即吸附大气中的氧气并发生化学反应，形成氧化物，这是化学作用。但他 机械作用和氧化作用孤立地看待。f e n g 与r i n g t m i r en 3 1 提出微动磨损金属在接 触面间的转移、氧化磨屑的形成、磨损率下降以及稳定磨损四个阶段。h u r r i c k s 口们在1 9 7 0 年对微动磨损过程提出三个阶段：黏着和金属转移的初始阶段。 由机械一化学作用产生磨屑阶段。由疲劳产生磨屑的稳态阶段。1 9 7 3 年至 1 9 7 7 年间，s u h n 5 、1 6 1 提出了微动磨损的剥层理论，该理论认为，在载荷的作用 下，微凸体发生变形以断裂，软表面出现塑性变形积累，导致微裂纹萌生、扩 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 展，当裂纹扩展到一定的长度时，裂缝和表面之间的材料在一薄弱处被剪断， 产生片状的磨屑剥落。w a t e r h o u s e 1 7 1 钉提出微动磨损和粘着磨损很相似，包括 有冷焊点的形成与撕裂以及金属转移发生，在特定的条件下，氧化在整个过程 中起重要作用。d u q u e t t en 们认为微动过程中表面材料硬化，邻近表面层有明显 塑性流动，而在塑性变形受到约束的次表面层萌生微裂纹，逐渐和自由表面连 通形成片状金属磨屑，并不断分裂成细小颗粒，其表面随之氧化，极细小的全 部氧化，于是微动磨屑中包括金属的细片和结成絮状的氧化物。 1 1 3 2 微动的三体理论 2 0 世纪8 0 年代后期，b e r t h i e r 与v i n c e n t 口2 弘3 4 1 等提出了微动第三体理论。 该理论认为在微动磨损过程中，磨屑的产生可以看成是两个连续和同时发生的 过程，即： 磨屑的形成：接触表面粘着和塑性变形，并伴随强烈加工硬化；加工硬 化使材料脆化，白层同时也形成，随着白层的破碎，颗粒剥落；颗粒随后被碎 化，并发生迁移，迁移过程取决于颗粒的尺寸、形状和机械参数( 如振幅、频 率、载荷等) 。磨屑的演化：起初磨屑呈轻度氧化，仍为金属本色，粒度为微 米量级( 1um ) ；在碎化和迁移的过程中进一步氧化，颜色变成灰褐色，粒度 在亚微米量级( - - - 0 1l am ) 。 利用三体理论可以很好地解释金属材料微动摩擦系数随循环周次的变化过 程：在跑合期，接触表面膜去除，摩擦系数较低；第一、二体之间相互作用增 加，发生粘着，摩擦系数上升，并伴随材料组织结构变化( 如加工硬化) ；磨屑 脱落，第三体床形成，二体接触逐渐变成三体接触，因第三体的保护作用，粘 着受到抑制，摩擦系数下降；磨屑连续不断地形成和排除，其成分和接触表面 随时间改变，形成和排除的磨屑达到平衡。微动磨损进入稳定阶段。 1 1 3 3 微动图理论 v i n g s b o 汹2 妇等最先提出了微动图的概念，但仅为一些现象描述，对微动 磨损机理分析不清楚，没有正确反映微动的运行机制。z h o u 和v i n c e n t 2 2 。3 钉 等在大量不同参数和材料的微动实验基础上建立了二类微动图理论，在本质上 揭示了微动运行机制和损伤规律，并用于研究不同材料的微动行为。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 运行工况微动图 每次循环的摩擦力( f 。) 一位移幅值( d ) 曲线是微动磨损试验最基本、最重 要的信息，反映了微动的动力学行为。大量不同工况下的试验表明，微动可以 得到三种基本类型的f 。一d 曲线：即直线、平行四边形和椭圆状。 f t d f t 夕 ，夕 ， b f t n 7 钮 ， ，_ - ” ( a ) 直线型( b ) 椭圆型( c ) 平行四边形型 图1 - 2 载荷一位移曲线( f - d 曲线) 的三种基本类型 根据f 。一d 曲线的三种基本形状将微动运行工况分为三个区域。 ( 1 ) 部分滑移区：该区域的绝大部分f 。一d 曲线呈直线状，两接触体在接 触边缘发生微滑但不发生相对滑动，接触中心粘着。处于部分滑移区的微动， 以接触表面弹性变形调节为主。 ( 2 ) 滑移区：在微动过程中，所有的f 。- d 曲线呈平行四边形，即任一微 动循环内，接触表面发生较大的相对滑移，该区域常伴随沿微动方向上出现 滑动磨损的特征。 ( 3 ) 混合区：处于滑移区和部分滑移区之间，该区域相对稳定阶段的f 。一d 曲线多数情况下呈椭圆状，在一定位移幅值时，摩擦力随位移、时间的变化 十分强烈，运动调节机理复杂，弹性、塑性变形以及可能的裂纹调节仍起较 大作用。 综上所述，微动区域与许多参数相关，但位移幅值与法向压力是微动的两 个最基本的因素。以法向压力为纵坐标、位移幅值为横坐标，可以建立微动区 域分布图，即运行工况微动图( r c f m ) ，如图卜3 ( a ) 所示。由图可以看出，在极 小的位移幅值或较大压力下，微动运行于部分滑移区；而在较大位移或较小压 力下，微动则运行于滑移区；混合区位于二者之间。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 位移振幅pm位移振幅um ( a ) r c f m( b ) r c f m 图卜3 运行工况微动图( r c f m ) 和材料响应微动图( m r f m ) 2 材料响应微动图 与运行工况微动图对应，经过一定的循环次数，可以得到材料响应微动 图( m r f m ) ，如图卜3 ( b ) 。 材料响应微动图主要由磨损区、裂纹区和轻微损伤区三个区域组成。在磨 损区有大量的颗粒剥落形成，有较多的磨屑积聚和较深的凹坑，接触区磨损严 重；裂纹区，因较大的交变应力作用，接触表面产生强烈的弹性、塑性变形， 有裂纹存在，同时有表层冷作硬化；在较微的损伤或无损伤区，接触表面，不 易观察到损伤情况。 微动图理论指出1 ，材料磨损、颗粒脱落主要位于滑移区，部分滑移区内 损伤轻微，混合区不仅有较轻的接触磨损，也通常可以观察到裂纹形成。因此， 微动图理论为减缓微动破坏提供了重要依据。 1 2 超常工况下的摩擦学材料及超常工况摩擦学 1 2 1 超常工况下的摩擦学材料概述 超常工况下的摩擦学材料主要是各类固体润滑材料，也包括部分特种润滑 油脂，统称为特种润滑材料嘶3 。随着航空、航天等现代军工技术的发展，为了 适应苛刻工况下的润滑要求而发展的新型润滑材料。与常规润滑材料相比，在 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 耐温、承载、环境适应性、功效等方面有特殊的性能。粘结固体润滑涂层材料 应用于如：人造卫星上的天线驱动系统、高温( 火箭和航空发动机活动件) 、核 反应堆机械、化工设备等。高温润滑材料，该类材料解决国家重点型号建设的 高温磨损失效问题，如国家重点型号热发动机配气阀座的磨损问题。多种高性 能p 、v c d 润滑薄膜用于重点型号火箭氢氧蜗轮泵轴承。 1 2 2 超常工况摩擦学 超常工况又称特殊工况或极端苛刻工况，通常是指摩擦副运行的环境和条 件超出了常规润滑材料性能极限的摩擦工况。广义而言，一切超出常规工业润 滑材料服役性能极限的摩擦工况都可以被视为超常工况。摩擦学是一个充满着 高新科学技术的、多学科交叉的工程。 典型的超常工况即所谓的“三高、一特殊工况1 3 6 o “三高 是指以高速、 高低温、高载荷为代表的摩擦副的苛刻运行条件；“一特殊 是指摩擦副所处的 特殊环境或介质，如空间环境、核辐射、强场或强粒子流环境和多相流介质环 境等。 1 2 2 1 超常工况摩擦学的意义和作用阳? ( 1 ) 超常工况摩擦学问题的研究对象大多数涉及国家重要军事领域或国家 重大尖端科技前言相关技术。 ( 2 ) 超常工况摩擦学所研究的工况的苛刻程度远超过了常规工况，现有的 常规工况下的摩擦学理论已不能解决超常工况摩擦学问题。 ( 3 ) 解决制约重要设备可靠性和寿命的关键技术问题。 1 2 2 2 超常工况下摩擦学的应用 ( 1 ) 高速、高温和重载是航空发动机、空间运载工具和航天器为提高推重 比和有效载荷而使得摩擦副面对极其苛刻的工况条件，例如英国国家物理实验 室( n p l ) 专门研究高接触压力的摩擦学行为来指导精密) 0 n - v ，对硬质颗粒增强 来提高承载能力口7 弘i 。我国哈尔滨工业大学开发了可用于新一代运载火箭发动 机的高速、超低温、重载陶瓷轴承和导弹发动机的高速、高温陶瓷轴承e 3 s 。 ( 2 ) 如国家绿色镀膜技术与装备工程技术研究中心首先提出绿色镀膜概念 i ；3 9 ，绿色镀膜技术是真空应用技术的重要分支，它广泛应用于光学、电子学、 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 能源开发和表面科学等领域，它具有不受被镀元件的材料及形状的影响，镀层 的厚度可以控制，可镀功能性表面镀层，无须化学镀银再进行补充抛光等优点。 又如多种能高性能p 、v c d 润滑薄膜。高精度p v d 润滑薄膜在空间技术的应用。 美国a r g o n n e 口6 1 国家实验室发明的等离子体辅助化学气相沉积超低摩擦系数d l c 膜，其摩擦系数在0 0 0 2 左右，到现在为止发现的最低摩擦系数的固体材料。 ( 3 ) 超常工况下的高性能润滑耐磨材料口7 堋1 ，通过研究荷叶的固体粘附作 用机理，德国科学家建立了材料自清洁理论与技术。如从表面材料结构和织构 规律，研究蛙在瀑布中耐流水冲蚀的机理。通过对动物、植物形成的几何结构、 奇特的功能来控制表面，从而达到减摩、抗粘附、抗磨损、高效润滑的物理反 应，如仿鲨鱼皮肤结构来减少阻力，这样飞机设计可以仿造，使得飞机阻力 减少8 。 ( 4 ) 清华大学摩擦学国家重点实验室刘书海、雒建斌1 等对聚合物水溶液 的润滑特性的研究，无论是水还是聚合物水溶液摩擦副表面的亲水能力对润 滑性能有较大影响，摩擦力会随疏水能力的增加而减少。聚合物水溶液的膜厚 度变大，同时聚合物水溶液剪切稀化使粘度降低，导致摩擦力减少。在界面上 形成很厚的吸附膜，增强了润滑作用。 1 3 高温微动摩擦学的研究进展 虽然高温摩擦学的研究和发展已经成为目前摩擦学领域的重要研究热点， 并对高温磨损机理进行了广泛的探讨，也得出了一些重要结论“。但是从磨 损形式来看，对于滑动磨损和滚动磨损的研究较多。对微动这一近似为原位接 触的、振幅为微米量级的摩擦磨损运动，在高温下的微动磨损行为的研究比较 少。实际上工程实践中有很多微动发生在高温工况下，例如航空发动机中涡轮 叶片键头和键槽构成的微动摩擦副；核工业中反应堆燃料组件、控制棒组件、 堆内构件、蒸汽发生器、换热器、压力容器、主泵及管道部件等都存在微动磨 损；其它在高温环境下工作的机械装备配合部件呈现出一些典型的微动失效问 题。从二十世纪七十年代以来，研究人员不断对高温微动损伤问题进行研究。 对磨损温度的测定、高温微动实验装置的改进以及高温微动损伤机理的研究等 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 3 1 高温损伤机理 在早期，川本倍、n s a k ah 们等强调高温磨损中的粘着机理，认为温度的升 高会引起金属的软化，q u i n nh 朝则认为是氧化磨损机制，s u h 1 把剥层理论推 广到高温磨损。逐渐人们发现在高温磨损中，温度的介入会导致摩擦表面的吸 附、氧化，以及材料机械性能发生变化，因此这是一种极为复杂的失效形式。 在一对摩擦副中，往往不止存在一种磨损形式，一般有几种机制共存。或者在 一定条件下从一种形式转变为另外一种形式，用一种固定不变的磨损形式去解 释所有的高温磨损显然是局限的。因此，人们现在普遍接受几种机理共存的复 合磨损机理。根据文献m 3 介绍，在研究热扎棍材料的高温磨损特性时，发现摩 擦面呈现犁沟或粘着两种特性。过荣一等n 卵也研究了热加工用合金钢、特殊钢、 耐热钢及碳素钢等材料的高温磨损特性，认为是粘着磨损和氧化磨损的共同作 用的复合机制。刘少先h 7 1 等研究了5 c r m n m o 钢b _ a l 共渗、b z r 共渗及单纯渗 b 层的高温磨损特性，结果表明上述渗层的高温磨损形式存在疲劳剥落、磨粒磨 损、氧化磨损和涂抹粘附等多种机制。l a n c a s t e r 口阳用6 0 4 0 黄铜销对淬火工 具钢环在不同的温度下进行摩擦磨损实验，结果表明，在3 0 0 以下，磨损一 时间关系曲线是一直线，有较高的磨损率，表征为粘着磨损，当温度高于3 0 0 时，磨损率急剧下降，因为在3 0 0 。c 以上时，摩擦金属表面与环境气氛反应， 生成了保护性的氧化膜。王道远哺等研究了c r 2 w 8 v 钢的高温磨损，认为该钢 的高温磨损特性为：4 0 0 以下以磨粒磨损为主，5 0 0 。c 时，基本上是氧化物组 成的“形成层”磨损。6 0 0 以下磨粒磨损与“形成层 磨损共存，7 0 0 。c 时又 转化为磨粒磨损。 1 3 2 高温下镍一铁合金微动磨损的特点及研究进展 核电设备微动研究的报道最早出现在2 0 世纪6 0 年代。加拿大c h a l kr i v e r 实验室对蒸汽发生器的微动磨损进行了长达2 0 年的试验研究。随着核电工业技 术的进步，蒸汽发生器设计制造不断采用新工艺和新材料，传热管材料已从最 初使用的奥氏体不锈钢改为镍基合金( i 一6 0 0 m a 和i 一6 0 0 t t ) ，现在又进一部改 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 为普遍采用的镍合金1 - 6 9 0 及i 一8 0 0 。新型钛合金( t 2 5 5 n g d 等) 的应用也受到 关注。国外的研究目前主要针对不同材料显微组织、匹配特性和磨损寿命方面 展开了大量的研究。h o n g 等幻研究了6 9 0 合金显微组织对微动磨损的影响，结 果发现退火处理温度和时间影响6 9 0 合金的晶粒尺寸，热处理的温度和失效工 7 艺影响了晶粒边界碳化物的形貌；当晶粒边界中含有粗大的碳化物时，能提高 抗微动磨损性能；如果晶粒边界含有大量的碳化物时，加速晶界处裂纹的形成 和扩展。a t t i a 等在传热管微动磨损研究中发现，最大磨损深度与平均磨损 深度之间的比率随着平均磨损深度的增加而下降，磨损量较大是由相对容易分 散的磨屑造成的，较小的磨损量是因为磨屑层的形成。g m q u g l i a 拍铂等的研究表 明，6 0 0 合金4 1 0 不锈钢( 0 3 m m 的滑动距离) 比6 0 0 合金碳钢( 0 5 m m 的滑 动距离) 的磨损率低，6 0 0 合金6 0 0 合金的磨损率明显受到滑动距离的影响。 k i m 凹印等在不同试验条件下( 热处理、增加载荷和位移幅值等) 下研究证实了 6 9 0 合金比6 0 0 合金具有更好的抗微动磨损能力，原因是6 9 0 合金的显微组织结 构比较容易容纳大的应力。l e e 嘲1 等研究发现，8 0 0 合金4 1 0 不锈钢磨损系数 最高，而6 9 0 合金4 0 9 不锈钢磨损系数最低；6 0 0 合金与6 9 0 合金显示了相同 的磨损机制，而8 0 0 合金有所不同。 由于蒸汽发生器工作于高温环境下，其微动损伤又是热致振动的结果，所 以高温微动磨损一直是国外学者关注的焦点之一。g u e r o u t 等曲7 1 曾模拟蒸汽发 生器管管支撑板之间的力学作用，研究了温度、水化学、支撑几何结构以及材 质对微动磨损的影响，结果显示温度对管材微动磨损的影响很大。s u n g 朝等研 究发现，管的磨损系数在2 2 5 2 8 0 。c 时比3 0 0 。c 以上更高，因为高的环境温度抑 制了粘着，并发生了组织转变。6 9 0 t t 合金比6 9 0 h t t a 合金含更多的洛元素以改 善抗腐蚀性，为评价6 9 0 t t 合金的微动摩擦磨损特性，s u n g 分别在空气和高温水 中进行了微动和滑移试验，结果表明6 9 0 t t 合金在空气中的磨损机理为剥层机 制，在水环境中受点蚀的影响，磨损系数随水温升高而增加。实际上，核电蒸 汽发生器的微动损伤形式是一种复杂的复合模式，既存在沿管轴向的切向微动， 也有垂直于轴向的径向的微动。上世纪8 0 年代，l e v y 等旧卅3 对蒸汽涡轮发动 机和热交换器中的支撑机构进行研究。近年，s e u n g 等如2 1 研究了6 9 0 合金管在 2 5 和2 9 0 。c 条件下的冲击微动磨损特性，结果显示6 9 0 合金的摩擦系数高温比 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 室温高得多，磨损率也在1 0 倍以上，s e m 观察揭示了在室温下的微动磨损机理 为塑性变形和磨粒磨损，而2 9 0 。c 时为粘着磨损和塑性变形。c h h a g e r j r 等3 】 研究了高温对t i 6 a 1 4 v 钛合金微动影响。室温时，增加载荷，混合区向部分滑 移区转变；升高温度，混合区增大。室温时，混合区向部分滑移区转变是一个 突变过程，可能是由于表面硬度的改变，使得表面脆性断裂和次表面大量磨屑 产生；高温时，较软的表面不可能承受加工硬化导致混合区逐渐向部分滑移区 转变。4 5 0 时，能量的耗散导致导致混合区逐渐向部分滑移区转变。室温时， 摩擦系数的变化很好反映了赫兹弹性模型；高温时，与赫兹弹性模型不肯月匕l - , ，4 e l 好 的吻合，这可能是由于高温时基体的软化和表面氧化加速所致。 针对核电材料，国内外学者采用了多种不同的涂层技术进行了研究，都表 现出了一定的防护效果。s u n g 嘲1 等的研究表明离子镀t i n 涂层使锆合金管的磨 损量减少了1 2 - 3 倍。p r a k a s h 等钉对比研究了p v d t i b 2 、p v d - t i n 、t i - b 和 t i b c 涂层的防护作用，发现t i _ b 层在干摩擦条件下摩擦系数和磨损率比t i b 2 涂层高，而t i b - c 层不仅包括硬的t i b 2 ，还有润滑的d l c 相，比t i b 2 和t i n 涂层具有更低的摩擦系数和更好的耐磨性。刘捍卫等拍7 。7 们对热喷涂n i - c r 、 t i c t i ，( c ，n ) t i n 等复合涂层等的高温微动磨损研究也获得了很好的抗损伤效 果。对涂层抗径向微动损伤的研究吲表明，硬质涂层和固润滑涂层表现出了不 同的防护机理和效果。 1 4 论文研究背景及内容 1 4 1 研究背景 能源已成为严重制约我国经济持续发展的战略问题，而核能则是解决能源 问题的重要途径之一。中国目前建成和在建的核电站有1 1 座，总装机容量8 7 0 万千瓦。预计到2 0 1 0 年中国核电装机容量约为2 0 0 0 万千瓦，2 0 2 0 年约4 0 0 0 万千瓦。也就说，到2 0 2 0 年中国将建成4 0 座相当于大亚湾那样的百万千瓦级 的核电站。到2 0 5 0 年，中国核电装机容量预计为2 4 亿千瓦，约占中国电力总 装机容量的2 0 。许多西方发达国家已经将发展核能当作长远目标 7 6 o 其中法 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 国核能发电占全国总电量的3 4 以上。“十一五”期间是我国核电发展的重要 时期，大型先进压水堆技术列入国家中长期科技发展规划纲要重大专项。国产 百万千瓦级( c n p l 0 0 0 ) 核电成套设备设计开发，国外第三代核电技术引进吸收 和再创新面临许多技术难题。 核能作为主要能源发展的原因如下：( 1 ) 核能资源极其巨大。全球已经探 明的铀矿资源相当于有机燃料的约2 0 倍u t ( 2 ) 核能成本低于以煤和油为燃料 的火电厂，安全、清洁、无污染是核能的特点；( 3 ) 其他能源难以满足工业发 展的需要。例如太阳能、风能和水能等都要受设备及容量的限制。目前还没有 发现有哪一种能源可以代替核能的地位。 微动( f r e t t i n g ) 是外加交变载荷下，接触界面发生的振幅极小( 通常在 微米量级) 的相对运动，可导致材料磨损而引起构件松动、功率损失、噪音增 加或形成污染源，并进一步导致疲劳裂纹萌生和扩展，使使用寿命大大降低比 7 3 7 引。在核电系统中，因动力运输及能量转换而产生振动，微动源普遍存在，由 此导致的紧配合和间隙配合件的微动损伤现象大量存在。核电系统中微动损伤 最严重的部件有：反应堆燃料组件、控制棒组件、堆内构件、蒸汽发生器、压 力容器、主泵、冷却剂泵等 2 7 4 1 。核反应堆设计寿命一般为4 0 6 0 年，但根据 国内外核反应堆运行经验，核电设备实际使用寿命远未达到设计要求，通常仅 为设计寿命的2 0 - 6 0 。其主要原因是出现各种早期破损，在各中破损事例中， 材料的失效与微动损伤有着密切的关系口引。 蒸汽发生器是核反应堆的关键设备之一，微动损伤是导致其失效的主要原 因。因此，防止蒸汽发生器的破损，提高核电设备安全性和使用寿命，是核能 工程的重大课题口2 7 川。蒸汽发生器的微动易损部位如图4 所示。其中，管道和 支撑部件( 位置) 之间的微动损伤，是核电系统典型的微动损伤现象，严重时 可以导致管道和支撑部件破裂，引起严重事故。另外，蒸汽发生器中的微动是 处于高温和流动介质作用下的特殊微动行为，受力和运动模式也很复杂，已经 引起了国外学者的广泛关注。在国内外，目前对传热管的研究主要集中在均匀 腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀和疲劳等嘞7 铲加们方面，缺乏针对微动损伤机理的系统 基础研究。分析外国学者的试验装置发现，一些研究者采用了以比例或全尺寸 模拟实际工况为主的方法，并使用电磁发生器作为激振源，与液压式微动试验 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 装置相比，其位移幅值较大，一般在1 0 0um 以上，因此不仅试验精度不足，也 与实际的微动损伤情况存在明显偏差。本文采用p l i n t 型高精度液压伺服式高 温微动磨损试验机啪1 ，位移幅值在卜5 0 0um 范围可以精确控制，克服了已有 研究工作的不足。本文在交义圆柱接触方式下研究了核电蒸汽发生器导热管材 料i8 0 0 合金高温微动的运行特征和损伤机理。本研究不仅对核反应堆关键部 件稳定和长寿命运行具有应用参考价值，也对丰富微动摩擦学基础理论具有重 要科学意义。 图4 蒸气发生器中的微动损伤部位 蚓5 核反麻堆中弹性支持机构径向微动损伤示意图 w)6，1 一o 、u+孑如i止丁0 淼辩稀洲洲黼卫淼滞 蕊。一， 薅 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 1 4 2 论文的研究内容 ( 1 ) 使用p l i n t 高温微动磨损试验机，在交叉圆柱接触方式，法向载荷5 0 n 和8 0 n ，位移幅值2 - - 8 01 tm ，循环次数3 1 0 4 次，频率为2 h z ，不同温度( 2 5 、3 0 0 和4 0 0 ) 条件下，研究了核电蒸汽发生器导热管材料i 一8 0 0 合金高 温微动的运行特征。 ( 2 ) 分析载荷、位移幅值和温度对微动运行区域的影响；在不同区域，温 度对稳态摩擦系数影响。 ( 3 ) 运用光学显微镜( o m ) 、扫描电镜( s e m ) 、电子能谱( e d x ) 和三维激光 扫描显微镜( l s e m ) 等进行微观分析。 ( 4 ) i 一8 0 0 合金的高温微动磨损机制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 1 试验材料 第二章试验材料和方法 2 1 1 试样材料 试验采用圆柱体圆柱体接触方式。i 一8 0 0 合金将其尺寸加工为( l = l o m m ， 由= 2 2 i r a ，管壁厚度为1 5m m ) ，试件的表面粗糙度为r a = o 0 2um 。i 一8 0 0 合金 机械性能为：抗拉强度为5 6 9 m p a ，屈服强度为3 3 3 m p a ，其的化学成分见表2 一l 。 表2 - 1 - 11 - 8 0 0 合金的化学成分( w t ) cs im nn ic rt ia l f e c u n b 0 0 50 50 7 5 3 0 3 51 9 2 3 0 64 0 6余0 7 50 3 2 1 2 对磨试样 配副件为o c r l 8 n i 9 不锈钢实心圆柱体( l = l o m m ，巾= l o m m ) ，试件的表面粗 糙度为r a = o 0 2l am ，o c r l 8 n i 9 不锈钢机械性能为，抗拉强度为大于等于 5 2 0 m p a ，屈服强度为大于等于2 0 6 m p a ，这类钢由于镍的加入，扩大了奥氏体区 域，从而在室温下就可以得到亚稳的单相奥氏体组织，因为含有较高的铬和镍， 并呈单相的奥氏体组织，因而具有高的化学稳定性，更好的耐腐蚀性，其的化 学成分见表2 1 。 表2 - 1 - 2o c r l 8 n i 9 不锈钢实心圆柱体的化学成分( w t ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 2 试验装置及试验参数 2 2 1 试验装置简介 图2 1 为卧式高温微动磨损试验机。该试验机试验参数的控制和数据采集 与处理完全由计算机控制。除可进行常规微动磨损试验外，还可以进行高温、 润滑、液体介质或可控气氛等不同环境条件下的实验研究。其结构主要为三大 部分：液压系统、主机和计算机控制系统。主要技术参数为：最大载荷1 k n ；最 小行程1l am ，绝对误差0 2um ；最大行程l o i r e ，绝对误差小于2i im ；最 大频率1 5 0 h z ；温度范围，室温6 0 0 。温度由2 4 0 8 型p i d 可编程控制器控制。 图2 1p l i n t 微动磨损试验装置结构示意图 卜圆柱试样；2 一圆柱试样；3 一圆柱试样夹具；4 一液压系统活塞：5 平面试样