真空環(huán)境下燃料組件壓緊彈簧疲勞應(yīng)力松弛研究

徐 杰，陳建偉，林 峰，金 鳴，吳慶生，宋 勇

(1.中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所，中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230027)

鉛及鉛基合金作為裂變反應(yīng)堆冷卻劑具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如良好的中子學(xué)和熱力學(xué)性能，同時(shí)與空氣和水呈惰性，大大降低了反應(yīng)堆因冷卻劑泄露造成的安全風(fēng)險(xiǎn)[1,2]。燃料組件壓緊彈簧是鉛基反應(yīng)堆中重要的結(jié)構(gòu)部件，提供適當(dāng)?shù)膲壕o力以保持燃料組件在反應(yīng)堆運(yùn)行中始終被壓緊，防止液態(tài)金屬?zèng)_刷引起組件移位。壓緊彈簧實(shí)際工況復(fù)雜，承受來(lái)自反應(yīng)堆運(yùn)行中堆功率變化形成的冷熱循環(huán)、驅(qū)動(dòng)泵運(yùn)行造成的機(jī)械振動(dòng)以及冷卻劑循環(huán)導(dǎo)致的流致振動(dòng)等交變載荷[3, 4]，這些交變載荷容易導(dǎo)致其發(fā)生疲勞破壞。同時(shí)壓緊彈簧長(zhǎng)期處于高溫壓應(yīng)力的工作環(huán)境下，可能造成彈簧較大的應(yīng)力衰減甚至斷裂，使其失去結(jié)構(gòu)功能，造成燃料組件松動(dòng)問(wèn)題[5, 6]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于燃料組件壓緊彈簧疲勞的研究較少，針對(duì)反應(yīng)堆特殊工況下彈簧的疲勞研究更鮮有報(bào)道。李騰[7]開(kāi)展了Cr18Ni9不銹鋼螺旋拉伸彈簧蠕變和應(yīng)力松弛研究，得出該類(lèi)型彈簧在室溫下的蠕變應(yīng)變極限、穩(wěn)態(tài)蠕變速率和應(yīng)力松弛負(fù)荷損失率。J.Vinys[8]研究了不同碳含量彈簧鋼在大塑性變形后回火期間出現(xiàn)的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，探討了材料的可塑性轉(zhuǎn)變的應(yīng)用問(wèn)題。董社霞[9]采用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法研究壓縮彈簧在特定工況下的應(yīng)力松弛行為，建立了壓縮彈簧數(shù)值模型，求得了壓縮彈簧應(yīng)力松弛后的殘余切應(yīng)力。

以上研究有利于揭示壓緊彈簧的疲勞和蠕變性能，但進(jìn)一步的研究仍有必要。為了真實(shí)反映彈簧實(shí)際工況，試驗(yàn)溫度設(shè)定為鉛基反應(yīng)堆長(zhǎng)期運(yùn)行溫度(450 ℃)。由于大部分的彈簧疲勞試驗(yàn)在大氣中完成，不能排除氧化對(duì)試驗(yàn)的影響，因而有必要在真空環(huán)境下開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，也為后續(xù)在鉛鉍環(huán)境下開(kāi)展試驗(yàn)提供參考。最終，選擇三種高溫奧氏體鎳基不銹鋼并加工成壓緊彈簧。在450 ℃條件下，分別進(jìn)行10萬(wàn)次疲勞循環(huán)的真空疲勞試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇符合要求的壓緊彈簧材料，為反應(yīng)堆燃料組件設(shè)計(jì)及制造提供參考。

1 試驗(yàn)材料

由于壓緊彈簧的特殊工況，此次選擇的彈簧材料均為高溫奧氏體不銹鋼，三種彈簧鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。加工后的彈簧進(jìn)行熱強(qiáng)壓工藝處理，一方面可以防止彈簧的松弛，另一方面可以提高彈簧的疲勞強(qiáng)度。彈簧的幾何尺寸如圖1所示。彈簧的絲徑為3.5 mm，中徑為17 mm，彈簧的總?cè)?shù)為10節(jié)，有效圈數(shù)為8節(jié)，節(jié)距為6.8 mm。

圖1 彈簧幾何尺寸Fig.1 Geometry of compression springs

表1 三種彈簧鋼化學(xué)成分(%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of compression springs (wt.%)

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前利用酒精中所有彈簧進(jìn)行15分鐘超聲波清洗，去除彈簧在加工和運(yùn)輸過(guò)程中附著在表面上的油污和雜質(zhì)。利用彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)對(duì)所有彈簧進(jìn)行剛度測(cè)量。測(cè)量方法為：測(cè)量不同彈力(50 N、100 N、150 N、200 N、250 N、300 N)時(shí)的彈簧的壓縮值L，并根據(jù)胡克定律計(jì)算其剛度。試驗(yàn)后測(cè)量并根據(jù)式(1)計(jì)算各彈簧的剛度。利用線切割進(jìn)行切割取樣，經(jīng)機(jī)械拋光后進(jìn)行硬度測(cè)量。采用ZEISS ΣIGMA場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡背散射成相(Scanning electron microscope, BSD-SEM)觀察析出物。通過(guò)透射電子顯微鏡(Transmission electron microscope，TEM)觀察材料的微觀組織。

(1)

式中：L2——彈簧試驗(yàn)后長(zhǎng)度；

L1——彈簧原長(zhǎng)；

F——彈簧壓縮量為l時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力值。

實(shí)際工況下，壓緊彈簧始終處于300 N左右的壓應(yīng)力狀態(tài)。反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中的溫度變化使得燃料組件尺寸和位置都會(huì)受到影響，而壓緊彈簧的長(zhǎng)度隨著組件的位置變化而變化(不超過(guò)5 mm)。真空疲勞試驗(yàn)前將彈簧放置在特制的模具型腔中(見(jiàn)圖2)，利用真空疲勞機(jī)壓縮彈簧至300 N處(誤差控制在±2 N內(nèi))。試驗(yàn)加載頻率為3 Hz，應(yīng)變幅為±5 mm(以300 N位置為零點(diǎn))，疲勞循環(huán)周次為10萬(wàn)次，試驗(yàn)溫度為450 ℃，試驗(yàn)真空度保持在4.5×10-6～8.5×10-5mbar之間。在彈簧模具的上中下部各放置一根熱電偶，保證試驗(yàn)過(guò)程中溫度一致。為確保彈簧受熱均勻，達(dá)到試驗(yàn)溫度后保溫半小時(shí)再開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，等待真空室內(nèi)溫度降至室溫后泄去真空并取出彈簧。各類(lèi)型彈簧均進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果求平均值。

圖2 真空疲勞試驗(yàn)機(jī)和壓緊彈簧試驗(yàn)?zāi)＞邎DFig.2 Vacuum fatigue testing machine and testing die diagram

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 彈簧形態(tài)變化

圖3為真空疲勞試驗(yàn)前后彈簧試樣對(duì)比，可以看出真空疲勞試驗(yàn)后各類(lèi)型彈簧均保持形態(tài)完整，沒(méi)有發(fā)生斷裂，但各種彈簧在試驗(yàn)后的長(zhǎng)度均有不同程度的變短，其中632變化的幅度最大。

圖3 真空疲勞試驗(yàn)前后彈簧試樣對(duì)比Fig.3 Specimens before and after fatigue test in vacuum

表2為真空疲勞試驗(yàn)后各類(lèi)型彈簧長(zhǎng)度。其中，GH4169和GH2132彈簧的長(zhǎng)度減少量相似，分別平均減少4.20mm和3.87mm，為彈簧原長(zhǎng)的7.05%和6.42%。632彈簧長(zhǎng)度變化較大，減少4.92 mm為原長(zhǎng)的8.19%。

表2 真空疲勞試驗(yàn)前后各彈簧長(zhǎng)度Table 2 Length ofsprings before and after fatigue test in vacuum mm

3.2 彈簧力學(xué)行為

圖4為試驗(yàn)后各類(lèi)型彈簧的循環(huán)載荷曲線。其中縱坐標(biāo)為每個(gè)疲勞循環(huán)過(guò)程中的峰值壓力。由圖4可知各彈簧的循環(huán)載荷曲線趨勢(shì)相似但又各不相同。632彈簧峰值壓力從-420 N左右開(kāi)始，隨著循環(huán)次數(shù)增加快速衰減至-340 N左右并進(jìn)入穩(wěn)定階段。當(dāng)疲勞循環(huán)周次達(dá)到4萬(wàn)左右壓力繼續(xù)減小，應(yīng)力松弛現(xiàn)象明顯。GH4169彈簧循環(huán)載荷曲線和GH2132彈簧相似，呈現(xiàn)先減小后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，穩(wěn)定值-370 N左右，但GH2132彈簧衰減速度明顯更快。同樣的衰減過(guò)程GH4169彈簧經(jīng)歷了8萬(wàn)次左右疲勞循環(huán)而GH2132彈簧僅需2萬(wàn)次循環(huán)左右。

圖4 真空疲勞試驗(yàn)彈簧循環(huán)載荷曲線Fig.4 Cyclic loading curve of spring of fatigue test in vacuum

根據(jù)公式(1)計(jì)算真空疲勞試驗(yàn)后各類(lèi)型彈簧剛度，結(jié)果如表3所示。可以看出真空疲勞試驗(yàn)后彈簧剛度減小幅度整體較低。其中632彈簧真空疲勞試驗(yàn)后ΔK(K前-K后)平均值為1.57 N/mm，大于另外兩種類(lèi)型彈簧。GH2132和GH4169的ΔK相近，分別為0.55 N/mm和0.77 N/mm。

表3 真空疲勞試驗(yàn)前后各類(lèi)型彈簧剛度Table 3 Stiffness of springs before and after fatigue test in vacuum

4 討論

彈簧在一定應(yīng)變條件下隨時(shí)間的增加會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力下降的現(xiàn)象，稱(chēng)之為應(yīng)力松弛。應(yīng)力松弛現(xiàn)象往往會(huì)伴隨彈性元器件長(zhǎng)度的變化。其主要原因是試驗(yàn)過(guò)程中材料內(nèi)部的位錯(cuò)不斷運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致部分彈性應(yīng)變隨時(shí)間增加逐步轉(zhuǎn)化為非彈性應(yīng)變[10]。這種非彈性應(yīng)變的不斷積累造成材料在未達(dá)到彈簧彈性極限的條件下就能累積一定的塑性變形，在壓應(yīng)力情況下使得彈簧長(zhǎng)度縮短。

4.1 合金元素的變化

不同彈性材料在試驗(yàn)后出現(xiàn)的應(yīng)力松弛差異，其內(nèi)在原因是材料的合金元素存在差異[11]。Ni元素可以固溶于奧氏體相區(qū)并擴(kuò)大奧氏體區(qū)，提高合金的再結(jié)晶溫度，增加材料的抗應(yīng)力松弛能力，是影響彈簧長(zhǎng)度變化的重要元素。本文選取的三種彈簧材料Ni元素含量差異較大，是材料應(yīng)力松弛的重要原因之一。632Ni含量?jī)H為7%左右，造成其抗疲勞松弛較差。GH2132和GH4169的Ni含量較高，使得二者應(yīng)力衰減幅度較小，但更高Ni含量，可能是GH4169衰減速率較低的原因。

其次，在Ni-Ti系合金中高溫時(shí)容易產(chǎn)生沉淀析出。有文獻(xiàn)報(bào)道[12]Al和Ti元素含量比值為2時(shí)，材料的內(nèi)部組織均勻性最好，提高Al-Ti比值一定程度上會(huì)增強(qiáng)材料的抗熱腐蝕性，但比值過(guò)高不利于組織的均勻化，產(chǎn)生粗大的析出相Ni3Ti和Al3Ni，合金強(qiáng)度和塑性急劇降低，容易產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象。本文中GH2132和GH4169中Ti和Al元素含量比值接近2，而632中Al和Ti元素含量比值則過(guò)大。由各彈簧疲勞試驗(yàn)后BSD-SEM圖可知，GH4169的析出相較少(見(jiàn)圖5(a))，而GH2132析出相逐漸增多(見(jiàn)圖5(b))，632在晶界處有明顯的析出物析出(見(jiàn)圖5(c))。以上關(guān)于合金元素對(duì)材料應(yīng)力松弛性能的論斷表明632彈簧抗應(yīng)力松弛性能較差，而GH2132和GH4169的抗應(yīng)力松弛性能較好，這和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果能夠較好的吻合。

圖5 不同類(lèi)型彈簧真空疲勞后BSD-SEM圖Fig.5 BSD-SEM diagram of different springs after fatigue test in vacuum

4.2 變形機(jī)制的影響

層錯(cuò)能的高低對(duì)變形過(guò)程中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方式及孿晶密度有較大影響。Ni-Al奧氏體合金中，Ni和Al元素都是影響材料層錯(cuò)能高低的重要元素。但本文中三種材料的Al元素的含量均較低，對(duì)層錯(cuò)能的影響有限。對(duì)層錯(cuò)能具有較大影響的是Ni元素。當(dāng)Ni元素含量小于50%時(shí)，層錯(cuò)能隨著Ni含量的增加而降低[13]，也就是說(shuō)三種材料中GH4169層錯(cuò)能最低，GH2132次之，632最高。如圖6所示，真空疲勞試驗(yàn)后材料的微觀組織也觀察到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。GH4169中層錯(cuò)痕跡明顯，GH2132中層錯(cuò)線密度降低，而在632則很難觀察到層錯(cuò)的痕跡。材料在低層錯(cuò)能狀態(tài)下，變形過(guò)程中分解的位錯(cuò)難以束集，造成位錯(cuò)滑移的方式主要為單滑移，而難以產(chǎn)生交滑移，增加位錯(cuò)的阻力，提高了抗應(yīng)力衰減的能力[14]。其次，低層錯(cuò)能狀態(tài)下，材料的位錯(cuò)密度和孿晶比例較高，使晶界在變形過(guò)程中產(chǎn)生不完全位錯(cuò)，提高位錯(cuò)的儲(chǔ)能能力，增加材料的加工硬化能力，也是材料抗應(yīng)力衰減能力增加原因之一[15]。加工硬化程度可以通過(guò)試驗(yàn)前后材料表層的顯微硬度變化大致反應(yīng)[16, 17]。圖7為各壓緊彈簧試驗(yàn)前后硬度值，各彈簧的顯微硬度在試驗(yàn)后均增加。632彈簧的硬度增加幅度最少，為3.9%，減緩疲勞過(guò)程中的應(yīng)力松弛效果最差。GH2132和GH4169彈簧疲勞試驗(yàn)后的硬度增加值相似，均高于632彈簧，減緩試驗(yàn)過(guò)程彈簧的應(yīng)力松弛也更明顯。

圖6 不同彈簧真空疲勞后TEM圖Fig.6 TEM diagram of different types spring after fatigue test in vacuum

圖7 真空疲勞試驗(yàn)前后各類(lèi)型彈簧剛度Fig.7 Stiffness of springs before and after fatigue test in vacuum

從真空疲勞試驗(yàn)結(jié)果可以得出632彈簧在試驗(yàn)后應(yīng)力松弛現(xiàn)象最明顯，長(zhǎng)度變化最大。GH4169和GH2132彈簧在試驗(yàn)后長(zhǎng)度和應(yīng)力衰減均較小，處于較低水平。但GH4169彈簧具有更低的應(yīng)力衰減速率，表現(xiàn)出優(yōu)良的抗高溫疲勞性能，最終選擇其作為燃料組件壓緊彈簧備選材料。

5 結(jié)論與展望

燃料組件壓緊彈簧是反應(yīng)堆重要結(jié)構(gòu)件，是反應(yīng)堆正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要組成部分。本文對(duì)三種奧氏體不銹鋼彈簧進(jìn)行了10萬(wàn)次真空疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 所有類(lèi)型彈簧在真空疲勞試驗(yàn)后均保持形態(tài)完整，沒(méi)有發(fā)生斷裂。

(2) 真空疲勞試驗(yàn)后所有彈簧長(zhǎng)度均變短，其中632彈簧變化最大，縮短長(zhǎng)度為4.92 mm，GH2132和GH4169縮短長(zhǎng)度相似，分別為3.87 mm和4.20 mm；所有類(lèi)型彈簧的剛度在真空疲勞試驗(yàn)后均降低，其中632彈簧降低幅度最大為1.57%，約是另外兩種彈簧的2倍。

(3) 真空疲勞試驗(yàn)過(guò)程后的632彈簧出現(xiàn)明顯的沿晶界析出物，使得材料脆化。同時(shí)其具有較高的層錯(cuò)能，導(dǎo)致位錯(cuò)變形更多的是交滑移，容易產(chǎn)生塑性累積，造成應(yīng)力衰減。

(4) GH4169具有較好的抗應(yīng)力松弛穩(wěn)定性，選擇其做為燃料組件壓緊彈簧的備選材料。

基于以上研究結(jié)果，后續(xù)將開(kāi)展液態(tài)鉛鉍環(huán)境下組件壓緊彈簧的疲勞試驗(yàn)，探究不同材料在液態(tài)鉛鉍環(huán)境下的疲勞行為，全面評(píng)估材料在反應(yīng)堆中應(yīng)用的可能，為組件壓緊彈簧的選材提供一定的理論參考。

致謝

本文開(kāi)展研究工作中，得到了FDS鳳麟核能團(tuán)隊(duì)其他成員的大力支持和幫助，在此深表感謝！