几种典型ATF包壳材料的微动磨损性能研究

摘要

在核电站反应堆内，核燃料包壳管的服役工况十分复杂，除了受高温、高压、强中子辐射外，还受到流致振动、交变载荷、内外压力差的影响，这些不稳定的环境因素会导致包壳管的微幅振动，进而影响堆内包壳管的使用寿命，为核电站带来安全隐患。本文通过模拟包壳管与其支撑格架的微动磨损行为，探究不同包壳材料的摩擦学性能。本文的研究结果为核电站包壳管的选型提供一定的理论支持，对提高核电站关键零部件的使用性能具有工程应用价值。　　本文采用新型切向微动磨损设备、能量控制模式冲击微动磨损设备、自制冲-切微动磨损设备，研究了4种ATF包壳材料(Zr/Cr，复合FeCrAl，ODS-FeCrAl，复合SiC)以及1种工程用Zr合金管材的微动磨损特性。摩擦副材料选用Inconel718镍合金，接触方式采用柱-管十字正交点接触的方式，在常温大气环境中进行试验。试验结束后采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱仪(EDS)等对磨痕进行了微观研究，利用白光干涉仪对磨痕的磨痕轮廓和磨损量进行了测量，系统的研究了不同包壳材料的微动磨损机理。得出以下结论：　　1.对五种ATF包壳材料进行的切向微动磨损试验表明，在载荷为50N，频率为10Hz，位移为±20μm的工况下，五种材料的微动均处于部分滑移区，具有较好的耐磨性能。SiC的磨损机制主要为磨粒磨损，其他四种材料的磨损机制主要为磨粒磨损和粘着磨损。通过对比不同循环次数下的磨痕形貌和磨损量，可以发现Zr/Cr涂层比Zr的耐磨性能更加优异，ODS-FeCrAl比FeCrAl的耐磨性能更加优异。　　2.对Zr合金、Zr/Cr、ODS-FeCrAl三种ATF包壳材料进行的冲击微动磨损试验表明，在冲击动能为4.32mJ的工况下，Zr合金和Zr/Cr在24小时的试验时长下未出现裂纹或者断裂，表现出较好的耐冲击磨损性能，而ODS-FeCrAl在6小时的试验时长下就出现了裂纹，且随着试验时长的增加呈现向两端扩张的趋势，表现出较差的耐冲击磨损性能。Zr合金和Zr/Cr具有相似的动力学响应，而Zr/Cr表现出较高的表面硬度和能量吸收率。在冲击微动磨损时，Zr合金和ODS-FeCrAl的主要磨损形式为氧化磨损和粘着磨损，Zr/Cr的磨损机制主要为粘着磨损。Zr/Cr的磨痕深度和磨损量较Zr合金和ODS-FeCrAl更小，耐冲击磨损性能更优异。　　3.对Zr合金、Zr/Cr、ODS-FeCrAl三种ATF包壳材料进行的冲-切微动磨损试验表明，在冲击动能为4.32mJ，切向速度为60mm/s的工况下，三种材料在24小时的试验时长下均未出现裂纹或断裂，表现出较好的耐磨性能。冲-切试验过程中的动力学响应与冲击类似，Zr/Cr表现出较高的表面硬度和能量吸收率。Zr合金的磨损形式为磨粒磨损和粘着磨损，Zr/Cr和ODS-FeCrAl的磨损形式主要为粘着磨损。磨痕轮廓和磨损量数据表明三者中Zr/Cr的耐冲-切磨损性能更为优异。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 引言

1.2 ATF 包壳材料简介

1.2.1 锆基合金包壳材料研究

1.2.2 锆合金涂层包壳材料研究

1.2.3 新型燃料包壳材料研究

1.3 微动磨损概述

1.3.1 切向微动磨损

1.3.2 冲击微动磨损

1.3.3 冲-切复合微动磨损

1.4ATF 包壳材料微动磨损研究现状

1.5 本文研究意义和内容

1.5.1 本文的研究意义

1.5.2 本文的研究内容

第2 章试验材料和研究方法

2.1 试验材料

2.2 切向微动磨损试验

2.3冲击微动磨损试验

2.4冲-切磨损试验

2.5 磨痕形貌测试分析方法

2.5.1 磨痕形貌及微区成分分析

2.5.2 磨损量分析

第3 章 五种ATF 包壳材料的切向微动磨损性能

3.1 切向微动磨损摩擦学性能

3.1.1 摩擦系数分析

3.1.2 微动运行特征

3.2 切向微动磨损机理分析

3.2.1 磨痕表面形貌分析

3.2.2 磨痕微观形貌及元素分析

3.3 切向微动模式下磨损量演变分析

3.3.1 磨痕三维形貌及二维轮廓演变

3.3.2 磨损量演变分析

3.4 小结

第4 章 三种ATF 包壳材料的冲击微动磨损性能

4.1 冲击微动磨损行为分析

4.1.1 冲击力及峰值力演变

4.1.2 冲击速度及能量响应

4.1.3 摩擦界面间冲击变形响应

4.2 冲击微动磨损机理分析

4.2.1 磨痕表面形貌分析

4.2.2 磨痕微观形貌及元素分析

4.2.3 磨损量分析

4.2.4 冲击磨损磨痕微区分析

4.3 小结

第5 章 三种ATF 包壳材料的冲-切微动磨损性能

5.1 冲-切微动磨损行为分析

5.1.1 冲击力/切向力演变

5.1.2 冲击/切向速度及能量响应

5.1.3 摩擦界面间冲击变形响应

5.2 冲-切微动磨损机理分析

5.2.1 磨痕表面形貌

5.2.2 磨痕微形貌及元素分析

5.2.3 磨损量演变分析

5.3 小结

结 论

展 望

致 谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文及科研成果