核用TP316H鋼在不同介質環境下的微動磨損性能

馮 鑠 陳旭東 湯 瑞 王立聞 張 帆 蔡振兵

1.西南交通大學摩擦學研究所，成都，6100312.東方電氣集團科學技術研究院，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]等各個領域的裝備之中。近年來隨著核電技術的快速發展，核電系統中的磨損問題也得到了廣泛的關注[4-5]。在第四代鈉冷快堆中，中間熱交換器 (IHX)和蒸汽發生器(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傳熱管時，流速、內外壓差[6]等原因會使傳熱管與其抗振條之間發生微動磨損[7]，導致傳熱管的管壁減薄，甚至發生破裂泄漏，嚴重影響核反應堆的運行安全[8-9]。因此，對核反應堆關鍵傳熱部件微動磨損行為進行研究至關重要[9-10]。

目前國內外的研究主要是針對第二、第三代壓水堆蒸汽發生器傳熱管的微動磨損。李杰等[10-11]在室溫大氣環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]發現600MA合金在水環境和大氣環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境中的微動磨損。MING等[15-16]模擬了壓水堆的高溫高壓水環境，研究了Inconel 690 TT合金材料的微動磨損。盡管已研究了多種環境中的傳熱管微動磨損，但很少有人關注介質對傳熱管微動磨損的影響。此外，隨著第四代鈉冷快堆研發的推進，堆內的傳熱管材料已由高溫鎳基合金變為316奧氏體不銹鋼[17-18]，而國內外針對核用TP316H管的微動磨損，特別是不同介質環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鈉環境下對核用TP316H管進行了微動磨損試驗，綜合評價了它在4種不同介質環境下的磨損性能。

1 試驗部分

1.1 試驗設備

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

(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備放入鈉罐并用螺栓緊固。

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

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

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

(5)設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 液態鈉微動磨損實驗系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of liquid sodium frettingwear experiment system

模擬水、大氣等其他環境的試驗時，步驟類似，只需更換鈉罐內的介質即可。

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)，其主要化學成分見表1。成品傳熱管由TP316H經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 試驗材料主要化學成分(質量分數)

1.3 試驗及表征方法

為研究不同介質環境對TP316H管微動磨損性能的影響，設置了室溫大氣、室溫水、450 ℃大氣以及450 ℃液態鈉4個試驗環境，并在各環境下進行循環次數為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3次以避免試驗誤差[10，19]。試驗數據取平均值，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105次的磨損體積增加量，μm3；N為每階段循環次數，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，并結合Vision64軟件對測得的形貌數據進行處理，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在不同介質環境下的磨損機理。

2 結果與討論

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，發現高溫處理不會對TP316H不銹鋼的金相組織產生顯著的影響，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

不同環境下磨痕的形貌如圖3所示。室溫大氣環境下，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 ℃，大氣環境下的樣品表面顏色發生變化，磨痕表面的黑色氧化物增多[20](圖3c)。450 ℃液態鈉環境下，磨痕表面和邊緣有少量黑色磨屑附著，類似于水環境下的磨痕，如圖3d所示。

(a)室溫大氣 (b)室溫水

(c)450 ℃大氣 (d)450 ℃液態鈉圖3 四種環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。室溫水環境下的磨痕表面比室溫大氣環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 ℃，大氣環境下的樣品磨痕兩端出現明顯的材料堆積(見圖4c、圖5)[22]。450 ℃液態鈉環境下的磨痕表面較光滑，但磨痕中心出現了較明顯的材料轉移(見圖4d、圖5)，這可能是因為材料在鈉環境下發生粘結[23]。在不同環境下，隨著循環次數的增加，磨損逐漸加重，磨損深度逐漸增加，如圖4、圖5所示。

磨痕的磨損數據如圖6所示。隨著循環次數增大，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，大氣環境下的磨損量大于水環境下的磨損量；450 ℃時，液態鈉中的磨損量大于大氣環境下的磨損量。在不同溫度的大氣環境中，循環次數為1×105時，450 ℃的磨損體積要大于室溫的磨損體積，循環次數增加到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，介質對TP316H管磨損量的影響比循環次數大；介質相同時，TP316H管的磨損量受循環次數的影響較明顯，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環境下TP316H管磨損機理的差異，對室溫大氣和室溫水環境下磨痕表面的微觀形貌進行了表征。室溫大氣環境下，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，發現水環境下磨痕表面的氧含量(質量分數)為7.80%，大氣環境下的氧含量為21.64%，這說明大氣環境下更容易發生氧化磨損。

(a)室溫大氣環境

(b)室溫水環境

(c)450 ℃大氣環境

(d)450 ℃液態鈉環境圖4 四種環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境下的磨痕截面形貌。大氣環境下，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中出現了分層裂紋和材料剝落，這說明TP316H管在室溫大氣環境下的磨損主要為剝層和氧化磨損。水環境下，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元素在水環境中產生了含有NiFe2O4和Cr2O3的氧化膜[24]，如圖9c～圖9f所示。與室溫大氣環境相比，室溫水環境下的氧化和剝層程度較輕，磨損以磨粒磨損為主。

(a)循環105次 (b)循環2×105次圖5 四種環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 四種環境下磨痕的磨損數據Fig.6 Wear data of worn scar under four environments

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

(c)室溫水環境磨痕形貌(N=1×105) (d)室溫水環境磨痕形貌(N=2×105)圖7 室溫干態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)區域Ⅰ的局部放大圖

(c)區域Ⅱ的局部放大圖(d)區域Ⅲ的局部放大圖

(e)為圖(b)區域的EDS掃描結果圖8 室溫大氣環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)區域Ⅰ的局部放大圖

(c)區域Ⅱ的局部放大圖(d)區域Ⅲ的局部放大圖

(e)區域Ⅳ的局部放大圖(f)圖c區域的EDS掃描結果圖9 室溫水環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 高溫以及液態鈉對磨損性能的影響

(a)磨痕全貌(b)區域Ⅰ的局部放大圖

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

(a)磨痕全貌(b)區域Ⅰ的局部放大圖

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

圖10、圖11所示為450 ℃大氣環境下的磨痕表面微觀形貌，圖12為450 ℃大氣環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，并有一層不連續的光滑結構。對該光滑結構進行EDS測試(測試點見圖11a)，發現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[25-27]，在磨痕表面產生一層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)區域Ⅰ的局部放大圖

(c)區域Ⅱ的局部放大圖(d)區域Ⅲ的局部放大圖

(e)圖b區域的EDS掃描結果圖12 450 ℃大氣環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)區域Ⅰ的局部放大圖

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

(a)磨痕全貌(b)區域Ⅰ的局部放大圖

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

(a)磨痕全貌(b)區域Ⅰ的局部放大圖

(c)區域Ⅱ的局部放大圖(d)圖c中EDS點掃描結果圖15 450 ℃液態鈉環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 ℃液態鈉環境下的磨痕表面微觀形貌。圖15所示為450 ℃液態鈉環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元素分析(測試點見圖14a)，結果顯示其中含有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等含鈉的腐蝕產物[23，28-29]。因此不同于其他介質環境，高溫液態鈉對TP316H管具有一定的腐蝕作用，且產生的含鈉化合物易被機械摩擦作用去除，這是鈉環境下磨損量最大的原因。

2.5 不同環境下的磨損機理分析和討論

圖16為不同環境下的磨損機理簡圖。大氣環境中的氧含量比水環境高，導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，不會產生嚴重的氧化現象和較厚的磨屑堆積層，磨痕表面僅產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管在水環境下的磨損量要小于大氣環境下的磨損量，如圖6所示。

(a)室溫大氣 (b)室溫水

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

大氣環境下，TP316H管表面在溫度升高過程中會被預氧化[13，20]，表現出淺黃色，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，高溫大氣環境下的磨損量要大于室溫環境下的磨損量，如圖6c所示。但是隨著循環次數的增加，氧化磨損加劇而產生的大量磨屑在高溫下更容易粘結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、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，最終導致在磨損后期，高溫大氣環境下的磨損量反而小于室溫大氣環境下的磨損量，如圖6c所示。所以，大氣環境下，溫度的升高會加速TP316H管前期的磨損，造成較大的磨損，而隨著循環次數增加，高溫反而有利于減小磨損。

在450 ℃鈉環境中，TP316H管的磨損機理如圖16d所示。450 ℃液態鈉環境中的磨損與高溫大氣和水環境中的磨損有相似之處。同水環境一樣，鈉有助于磨屑從摩擦界面排出(見圖3d)。450 ℃液態鈉環境中，較厚的不連續磨屑層出現在磨痕表面(見圖15)，這與高溫大氣環境一樣；但鈉環境中的磨損受到了化學、力、熱三重因素的共同影響，這與高溫大氣和水環境中的不同。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生反應(被腐蝕)[23]，導致磨屑堆積層穩定性下降，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，高溫會改變液態鈉的表面張力，使其對試樣表面的浸潤性增加，促進液態鈉的腐蝕[23]。所以在液態鈉環境中，鈉的特殊性質不適合作為減摩的潤滑劑，反而會在化學、機械力、高溫的協同作用下加劇磨損。因此，TP316H管在450 ℃液態鈉環境中的磨損量要遠遠大于其他環境中的磨損量。

3 結論

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

(2)在大氣環境下，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。在室溫水環境下，主要磨損為磨粒磨損和氧化磨損。

(3)450 ℃液態鈉環境下，液態鈉的潤滑行為與大氣及水環境下的作用明顯不同，磨損界面的磨屑較干態容易排出，溶解在鈉中的雜質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同作用、熱-力-化學多場耦合作用的結果。