控制棒水壓驅動機構水壓缸碳化鎢涂層工藝優化研究

陳 寶 石 勇 薄涵亮

(1.海軍裝備部駐北京地區第七軍事代表室 北京 100120；2.清華大學核能與新能源技術研究院 北京 100084)

控制棒水壓驅動技術是清華大學在5MW低溫供熱核反應堆水力驅動控制棒技術深入研究的基礎上，結合了商用壓水核反應堆磁力提升器的優點發展而來的一種新型內置式控制棒驅動技術。該技術的核心設備為控制棒水壓驅動機構。該驅動機構以反應堆壓力容器內的一回路水作為介質，采用3個水壓缸(提升缸、傳遞缸、夾持缸)驅動2套銷爪機構，抓住或松開控制棒驅動軸，從而帶動控制棒吸收體在堆芯做步進運動或快速落棒，從而實現堆芯反應性的調節[1-2]。其結構和組成如圖1所示[3]。與商用壓水堆磁力提升器相比，控制棒水壓驅動機構采用金屬材料的水壓缸替代電磁線圈，克服其不耐高溫輻照等問題；采用一回路水液壓驅動，將驅動機構置于壓力容器內部，降低反應堆高度，消除了彈棒隱患，具有傳動線短，安全性高的優勢，適用于一體化反應堆[1-2]。

圖1 驅動機構及水壓缸結構示意Fig.1 Schematic of the hydraulic cylinder component

驅動機構水壓缸是驅動機構的核心部件，由外套缸、內套缸、活塞環和復位彈簧組成。其中外套缸和活塞密封環構成一對摩擦副，如圖1所示。已有學者針對控制棒水壓驅動機構的性能和機制開展了理論和實驗研究。如秦本科等[3-5]對驅動機構水壓缸的充泄壓過程進行了理論分析，建立了水壓缸單缸充泄壓理論模型；劉潛峰等[6-8]建立了水壓缸理論模型并進行了實驗驗證，對影響水壓缸運行的主要參數進行了參數特性分析，并對水壓缸升壓和降壓過程進行了理論分析。以上研究為水壓缸和驅動機構的性能分析和設計優化奠定了理論基礎。

另一方面，外套缸和活塞環構成的摩擦副性能也對水壓缸和驅動機構的性能有重要影響，其使用壽命直接影響驅動機構的壽命和可靠性。陳洋[9]提出了采用表面強化的方法來降低摩擦因數和提高摩擦副耐磨性，并對水壓缸外套缸沉積氮化鈦(TiN)、碳化鎢(WC)和鈷基合金3種薄膜或涂層后的摩擦因數及抗熱沖擊性能進行了研究，提出了在水壓缸外套缸內表面沉積TiN膜，活塞環上沉積DLC膜的摩擦副配伍方案。由于不銹鋼基體材料硬度相對較低，與TiN膜層的硬度存在較大的差異，在高載荷使用條件下容易導致TiN膜層脫落或塌陷，影響摩擦副壽命及可靠性，需在不銹鋼基體材料表面噴涂一層硬度較高的材料后再鍍TiN膜。采用超音速火焰噴涂制備的WC涂層擁有優異的耐磨性能，與目前應用較多的碳化鉻(Cr3C2)涂層具有類似的耐蝕、耐高溫等性能[10-11]，長時間服役后表面仍可維持在初始狀態[12-15]。因此，實際加工制造中選用先噴涂WC涂層，然后以該涂層為基體，再沉積TiN膜的方案。然而在生產及使用過程中出現WC涂層產生“龜裂紋”的問題，如圖2所示，存在影響摩擦副性能及驅動機構使用壽命的風險。

圖2 摩擦副往復運動1 000次后出現“龜裂紋”形貌Fig.2 Cracks on the coating after 1 000 times of usage：(a)outer cylinder appearance；(b)dissected inner surface

針對上述問題，本文作者采用優化磨削進給量和去應力處理對WC涂層工藝進行了優化，然后通過涂層殘余應力測試、涂層無損檢測、摩擦磨損性能試驗、水壓缸冷態性能試驗對工藝優化的效果進行了評估和驗證，獲得了涂層結合力、顯微硬度等涂層基本性能參數，建立了摩擦副的磨損行為演變機制，獲得了WC涂層水壓缸在100萬次冷態壽期內運動阻力和泄漏率變化數據和規律，驗證了WC涂層工藝優化效果及涂層的可靠性。文中研究結果為控制棒水壓驅動機構的設計和整體性能研究提供了基礎。

1 WC涂層工藝優化方法

1.1 涂層磨削

水壓缸外套缸內孔采用爆炸噴涂制備WC-12Co耐磨涂層，涂層制備態表面粗糙度一般為Ra6.3 μm，而根據水壓缸使用要求，涂層區粗糙度應降低至Ra0.4 μm，需要采用金剛石砂輪對內圓進行磨削加工。內圓磨削的主要參數包含主軸轉速和進給量，其中進給量的大小直接影響涂層磨削工藝質量，因此文中針對涂層磨削工藝中進給量進行工藝參數優化，確定了涂層磨削工藝參數為：粗磨進給量不高于0.02 mm，精磨進給量應不高于0.01 mm。

1.2 去應力處理

造成驅動機構水壓缸外套缸WC涂層產生“龜裂紋”問題的直接原因是涂層內應力。WC涂層硬度較高，噴涂過程中和磨削后涂層表面通常存在殘余壓應力。因此文中主要采用熱處理的方法降低涂層殘留應力。對噴涂WC涂層后的水壓缸外套缸進行去應力熱處理參數為：溫度(150±10)°C，保溫時間(4±1)h 。

2 去除應力及“龜裂紋”效果測試結果及討論

2.1 WC涂層應力測試

磨削后和熱處理后分別在水壓缸外套缸圓周面的相近位置進行取樣，取樣位置如圖3所示。采用X射線衍射應力測試的方法對涂層磨削后和去應力處理后的表面狀態進行了測試，測試結果見表1。表中1、2、3是水壓缸外套缸不同位置涂層磨削加工后表面的殘余應力值，4、5、6是同一缸體不同位置熱處理后涂層表面的殘余應力值。可以看到，經過涂層去應力處理后，表層的殘余應力值顯著降低，驗證了去應力處理參數的有效性。

圖3 取樣位置示意Fig.3 Schematic of sampling location

表1 涂層加工后表面殘余應力Table 1 Residual stresses of the WC coating

2.2 WC涂層無損檢測

WC涂層檢測按照GJB 2367A《滲透檢驗》中最為嚴格的方法進行，即滲透劑選用Ι類(熒光滲透劑)、滲透劑去除方法選用D法，滲透劑靈敏度等級選用超高靈敏度(4級)，顯像劑選用a型。去應力處理后水壓缸外套缸液體滲透探傷結果如圖4所示，可見涂層磨削后的表面未發現裂紋熒光顯示。

圖4 去應力處理后水壓缸外套缸液體滲透探傷結果Fig.4 Liquid penetrant inspection result of the coating after stress relief treatment

采用1.2節中磨削參數加工涂層，測試涂層表面粗糙度為Ra0.80 μm。為進一步提升涂層表面光潔度以滿足水壓缸使用要求，采用金剛石研磨膏對涂層面進行研磨加工，研磨后涂層表面光潔度為Ra0.40 μm。涂層表面探傷情況見圖5，未發現涂層裂紋顯示。

圖5 熒光探傷測試結果Fig.5 Fluorescent crack detection result of the coating after grinding

3 WC涂層性能測試結果與討論

通過采用去應力處理和優化磨削進給量的優化工藝解決WC涂層“龜裂紋”問題后，對采用優化后工藝加工制備的WC涂層試驗件涂層厚度、彎曲性能、結合強度及硬度等基本性能參數進行測試，并對WC涂層和DLC膜配伍的摩擦副摩擦磨損性能進行了研究，以進一步驗證工藝優化的效果。

3.1 基本性能

3.1.1 涂層厚度

采用優化后的WC噴涂工藝加工試驗件，并對試驗件進行解剖制備金相試樣，采用金相法測試解剖件涂層厚度，滿足涂層厚度≥100 μm的使用要求。

3.1.2 彎曲性能

制備WC涂層彎曲試樣，涂層厚度為0.23～0.25 mm，試樣彎曲角度為90°以上，彎曲后表面形貌如圖6所示?？梢钥吹?，試樣表面未發現涂層剝落，涂層與基體無分離。

圖6 碳化鎢涂層彎曲試樣表面形貌Fig.6 Surface morphology of the test piece of WC coating after bending property test

3.1.3 涂層結合強度

制備WC涂層試樣，依據ASTM C633測試涂層結合強度，測試結果見表2。涂層均為膠界面斷裂，涂層結合強度均大于68.9 MPa。

表2 涂層結合強度測試結果Table 2 Results of the bonding strength between the coating and substrate

3.1.4 顯微硬度

對于優化后的WC噴涂工藝加工制備的試驗件解剖件涂層進行顯微硬度測試，結果見表3。其中1、2、3是水壓缸外套缸不同位置編號，如圖3所示，每個位置測6次，不同位置處6次測試結果如表3所示。結果表明，WC涂層滿足顯微硬度≥800HV的使用要求。

表3 解剖件涂層顯微硬度Table 3 The microhardness of the coating

3.2 摩擦磨損性能

在實際工程應用中，為提高水壓缸外套缸和活塞環摩擦副的性能和使用壽命，對于外套缸內壁面噴涂WC涂層，對于與其配伍的活塞環表面鍍DLC膜。為進一步測試WC涂層效果，文中采用銷盤法開展摩擦磨損試驗，模擬活塞環和外套缸間的摩擦磨損行為。

采用的試驗機和試驗原理如圖7所示。其中上試樣銷軸材料為GH4169合金，表面制備DLC膜，試樣尺寸為φ15 mm×22 mm；下試樣材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，表面制備WC涂層，試樣尺寸為φ24 mm×7.8 mm。參考水壓缸實際工作冷態工況(室溫30 ℃)及熱態工況(254 ℃)分別進行了涂層室溫和254 ℃條件下的摩擦因數測試，試驗載荷40 N，往復行程1.0 mm，頻率50 Hz，往復循環不低于100萬次。

圖7 摩擦磨損試驗機及試驗原理Fig.7 Friction and wear tester and test principle

圖8顯示了摩擦因數隨時間的變化曲線。可以看到，室溫下在初始階段，DLC涂層具有較為優異的潤滑性能，摩擦因數在100 000次前維持在0.2左右，隨著時間延長DLC涂層逐漸被磨損，形成了WC-12Co和GH4169的對摩，摩擦因數達到0.952。水壓缸實際工作冷態工況(室溫30 ℃)及熱態工況(254 ℃)下的平均摩擦因數值分別為0.952和1.104。可見隨著溫度的上升，摩擦副間的摩擦因數逐漸增大。

圖8 不同溫度下WC-12Co涂層摩擦因數隨時間變化Fig.8 Friction coefficient evolution for WC-12Co coating at different temperatures：(a)30 ℃；(b)254 ℃

圖9顯示了磨損后涂層試樣的微觀形貌?？梢园l現涂層表面存在分布均勻的犁痕，以及黏著磨損引起的摩擦副轉移，表明涂層主要磨損機制為磨粒磨損和黏著磨損。

通過稱量磨損試驗前后的試樣質量可以計算摩擦副的磨損速率。計算得到的WC涂層試樣室溫和254 ℃條件下的磨損速率分別為4 mg/106次和6 mg/106次，活塞環材料室溫和254 ℃條件下的磨損速率分別為16 mg/106次和15 mg/106次?？梢?，254 ℃高溫下WC涂層材料磨損速率高于室溫狀態，而254 ℃高溫下活塞環材料的磨損速率略低于室溫狀態，該現象的內在機制還有待進一步深入研究。

4 WC涂層水壓缸冷態性能測試

根據3.2節研究結果，WC涂層性能隨水壓缸的使用次數(對應往復運動動作步數)會發生變化，從而影響其泄漏率和摩擦阻力。為進一步驗證了WC涂層的可靠性及WC涂層工藝優化的效果，對WC涂層水壓缸的冷態性能進行了試驗研究，獲得了水壓缸泄漏率和摩擦阻力隨動作步數的變化。

實際工程應用中，水壓缸外套缸內表面噴涂WC涂層后，再沉積一層TiN膜以進一步提高其摩擦磨損性能。文中試驗采用WC-TiN復合涂層的3種類型水壓缸外套缸(提升缸、傳遞缸、夾持缸)與鍍DLC膜的活塞密封環(基體材料為高溫鎳基合金GH4169)配伍后進行水壓缸冷態性能測試，獲得了連續100萬次往復運動過程中泄漏率和摩擦阻力的變化情況，如圖10所示?？梢钥吹剑谒畨焊?00萬次往復運動過程中，提升缸外套缸摩擦阻力在125～250 N范圍內，泄漏率在15～35 kg/h范圍內；傳遞缸外套缸摩擦阻力在37～100 N范圍內，泄漏率在15～27 kg/h范圍內；夾持缸外套缸摩擦阻力在64～90 N范圍內，泄漏率在14～28 kg/h范圍內，滿足工程應用中控制棒驅動機構水壓缸的使用要求。

圖10 往復運動過程中噴涂WC涂層水壓缸泄漏率和摩擦阻力的變化Fig.10 Variations of leakage flow rate and frictional resistance for hydraulic cylinders with WC coating during reciprocating motion： (a)lifting cylinder frictional resistance；(b)lifting cylinder leakage flow rate；(c)transfer cylinder frictional resistance； (d)transfer cylinder leakage flow rate；(e)clamping cylinder frictional resistance；(f)clamping cylinder leakage flow rate

5 結論

(1)提出的WC涂層優化工藝有效降低了涂層應力，并解決了涂層“龜裂紋”問題。采用優化后工藝加工制備的WC涂層厚度、彎曲性能、結合強度、顯微硬度滿足控制棒水壓驅動機構水壓缸的使用要求。

(2)隨著工作溫度的上升，WC涂層與DLC膜組成的摩擦副摩擦因數逐漸增大，往復循環摩擦100萬次后，WC涂層表面出現分布均勻的犁痕，存在黏著磨損引起的摩擦副轉移。

(3)采用優化后工藝加工制備的WC涂層外套缸裝配的水壓缸連續100萬次往復運動過程中泄漏率和摩擦阻力均滿足控制棒水壓驅動機構的使用要求，冷態壽命可以達到100萬次以上。