激光冲击强化技术在核电领域的研究进展

激光冲击强化技术属于改善金属性能的重要表面形变强化技术,因其独特的技术优势在航天及船舶领域获得广泛应用。随着科技的发展研发出多种激光冲击强化技术,并逐渐开始在核电装备领域获得应用,然而针对该技术在核电领域的研究进展缺乏系统的综述。先通过介绍不同表面形变强化技术,叙述激光冲击强化技术的发展,阐述激光冲击强化机制,最后综述激光冲击强化技术在核电领域的应用研究进展。总结发现,激光冲击强化技术可有效改善核电领域材料力学、摩擦磨损及腐蚀性能,但传统和添加辅助手段激光冲击强化技术受约束层和吸收层影响较大,无涂激光冲击强化技术对金属易产生热效应,飞秒激光冲击强化影响层浅且强化效果差,不同工艺技术在核电领域提升摩擦磨损性能研究较少。对不同工艺激光冲击强化机理及在核电领域材料不同性能的提升进行深入研究,为进一步提升激光冲击强化技术在核电领域材料的应用提供理论基础,可为核电领域关键装备进行强化、提升核电装备运行寿命提供参考。

不同NiCr含量的NiCr-Cr_(3)C_(2)涂层高温冲击磨损行为研究

通过超音速火焰喷涂制备了35%NiCr-Cr_(3)C_(2)涂层及25%NiCr-Cr_(3)C_(2)涂层,利用自研的高温铁屑冲击磨损试验机,在630℃及铁屑冲蚀的环境下进行了不同次数下的冲击试验(1×10^(4)、2×10^(4)和5×10^(4)),研究了2种涂层在铁屑冲蚀环境下的高温冲击磨损行为.结果表明:在高温铁屑环境下35%NiCr-Cr_(3)C_(2)涂层和25%NiCr-Cr_(3)C_(2)涂层的损伤机理均为塑性变形和磨粒磨损,在相同冲击次数下两者的磨损面积相差不大,但25%NiCr-Cr_(3)C_(2)涂层能量吸收量及吸收率和磨损体积均小于35%NiCr-Cr_(3)C_(2)涂层,表现出了更好的耐高温冲击磨粒磨损性能;随着冲击次数的增加,2种涂层的冲击能量、能量吸收率及磨损面积均呈增长趋势,表明2种涂层发生了更多的塑性变形和材料去除;2种涂层的磨损体积随着冲击次数的增加呈现出不同的变化规律,25%NiCr-Cr_(3)C_(2)涂层的磨损体积随冲击次数的增加而增加,而35%NiCr-Cr_(3)C_(2)涂层的磨损体积则随冲击次数的增加呈现先增大再减小的规律.

γ射线辐照对PA66结构和摩擦学性能的影响

目的研究辐照后PA66的分子结构和摩擦学性能变化情况,以及两者之间的联系。方法采用凝胶含量测试、红外光谱测试、XPS测试分析、DSC测试分析等方法研究辐照前后PA66的分子结构变化情况,将辐照前后各剂量PA66以球-平面形式进行往复式摩擦磨损试验,对摩擦因数、磨损率及磨痕形貌进行分析,以研究辐照对PA66摩擦学性能的影响。结果随着辐照剂量的增加,PA66凝胶的质量分数从1.31%增加到60.77%,辐照导致PA66表面含氧官能团含量增加,且在1000kGy剂量下生成了羟基,同时材料结晶度整体随辐照剂量的增加而降低。经辐照后,PA66的摩擦因数从0.49逐渐增至0.615,磨损率从179.3×10^(3)μm^(3)/(N·m)大幅增至2511.7×10^(3)μm^(3)/(N·m)。磨痕中央和边缘的磨损形式的变化趋势不同,磨痕中央始终为黏着形貌,磨痕边缘在剂量增大后从黏着形貌变化为沟壑状形貌。结论PA66在γ射线辐照影响下主要发生分子链间的交联和表面氧化,分子间的交联和辐照破坏了材料内晶体的结构,导致材料的结晶度下降。同时,PA66交联使对磨副运动时剥落表面材料受到更大的阻力,导致材料在黏着和犁削过程的剥落体积更大,经辐照后PA66的摩擦因数上升、磨损率增大。

SIMP钢在高温液态铅铋合金中的腐蚀行为

目的 研究SIMP钢在不同溶解氧浓度的高温液态铅铋合金中长期浸泡后腐蚀产物的变化规律。方法 在550℃静态液态铅铋合金(饱和氧状态和贫氧状态)中对SIMP钢进行500、1 000、2 000、3 500、5000h的腐蚀试验。通过观察腐蚀后试样的表面和截面形貌,进行物化分析,对比不同时间下腐蚀层厚度以及腐蚀产物结构的变化,得出溶解氧浓度和浸泡时间的变化对腐蚀产物的影响规律。结果 在贫氧环境中,SIMP钢的腐蚀类型主要为氧化腐蚀,氧化腐蚀产物具有双层结构,外层为Fe-Cr尖晶石氧化层,内层为富铬氧化物与基体的混合物层;在饱和氧环境,SIMP钢腐蚀产物则具有3层结构,外层为Fe_(3)O_(4)磁铁矿层,中层为Fe-Cr尖晶石氧化层,最内层为富铬氧化物与基体的混合物层。结论 溶解氧浓度和浸泡时间的变化对腐蚀产物的结构和厚度产生了显著影响,SIMP钢在贫氧环境中呈现出优异的耐腐蚀性能。

压水堆控制棒驱动机构传动部件磨损研究现状

在压水堆核电站中,控制棒驱动机构(CRDM)是实现反应堆启动、调节功率、保持功率、正常停堆和事故状态下的紧急停堆的关键设备,其可靠性直接关系到核电站的运行安全,磨损是该机构失效的主要形式。压水堆CRDM所用传动部件主要有磁力提升钩爪式和丝杠滚珠式,磨损失效是传动部件主要的失效形式。目前针对CRDM传动部件磨损的研究进展缺乏系统地分析或综述。本文介绍了CRDM传动机构的结构和运动形式,阐述了CRDM传动机构的材料选型与未来研究方向,并概述了核电行业中的CRDM传动机构的磨损研究进展,最后讨论了两种机构基于不同理论的磨损预测模型,并对CRDM传动机构材料的未来研究方向进行展望。

2种Zr(-Sn)-Nb合金与316L不锈钢的冲击磨损性能

采用316L不锈钢材质的锐角圆锥块作为摩擦对偶,在硼酸锂的液流条件下对2种Zr(-Sn)-Nb合金管进行不同循环次数(N=10^(2),10^(3),10^(4),10^(5),10^(6))的冲击试验.模拟了锆合金包壳在异物磨蚀情况下的冲击状态,研究了2种Zr(-Sn)-Nb合金管的冲击磨损性能及冲击磨损机制.结果表明,锆合金管材在冲击磨损作用下的磨损机制主要为塑性变形和疲劳剥落.机械性能、动力学曲线和冲击磨损试验等数据皆表明,Zr-Sn-Nb合金拥有比Zr-Nb合金更好的抵抗316L不锈钢冲击磨损的能力.磨痕边缘材料塑性流动导致的裂纹形成与扩展及磨痕底部裂纹延伸交汇后发生的疲劳剥落,都会对锆合金管造成严重的磨损去除.冲击过程中,锆合金管与摩擦对偶会发生材料迁移,形成Zr、O、C、Fe元素不均匀分布的磨屑堆积层.

喷丸与CuNiIn涂层复合处理对高温合金榫试样微动疲劳性能的影响

汽轮机叶片榫结构接触部位易发生微动疲劳失效,但行业内仍缺乏有效解决措施,因此开展了不同载荷下不同表面改性技术处理后10705BX铁基高温合金榫结构微动疲劳试验研究。分别对原始未处理(AS)、喷丸处理(SP)及喷丸与CuNiIn涂层复合处理(SC)的10705BX铁基高温合金榫结构试样的微动疲劳性能进行测试分析,在微动疲劳试验前后,对原始、喷丸处理及复合处理后的10705BX铁基高温合金的表截面形貌、断口形貌及力学性能进行表征分析。结果表明:原始、喷丸处理和复合处理试样表面粗糙度Sa分别为0.08、3.38和13.65μm。喷丸处理后表面硬度提高了16%,加工硬化层深度约为80μm,微动疲劳寿命相较原始试样提高了7.8倍。复合处理的涂层平均厚度约为50μm,微动疲劳寿命相较原始试样提高了4.2倍,相比较喷丸处理来说,复合处理后材料的微动疲劳寿命提升较弱。原始、喷丸处理和复合处理试样的裂纹均为多疲劳源萌生,但是喷丸和复合处理后的裂纹源数量明显减少。喷丸处理和复合处理后裂纹的扩展速率均显著提高。喷丸后试样表层获得加工硬化层并且引入残余压应力,主要提升了裂纹萌生寿命。喷丸处理及喷丸与CuNiIn涂层复合处理方法有望成为提升汽轮机叶片服役寿命的重要备选途径。

904L不锈钢在不同气氛下微动磨损性能研究

在可控气氛微动磨损试验设备上,开展了904L不锈钢在不同温度和环境介质(常温大气、常温二氧化碳、350℃大气、350℃二氧化碳)下的微动磨损试验.分析了其摩擦学界面损伤机制和摩擦化学行为.结果表明,常温条件下微动运行于完全滑移区,磨损机制主要是分层剥落和氧化磨损;350℃条件下微动运行于混合区,大气环境下的磨损机制主要是黏着磨损和氧化磨损,二氧化碳环境下的磨损机制主要是黏着磨损.常温时二氧化碳较大气环境的磨损量减小,温度升高至350℃时磨损量显著减小.

CoCrWSi涂层高温冲击磨粒磨损行为

CoCrWSi涂层由于其优异的耐高温氧化性能,有望成为汽轮机零部件的防护涂层之一。但是关于该涂层在汽轮机真实服役环境中的高温冲击磨粒磨损行为却鲜有报道。以汽轮机阀门部件材料SA-182F92为基体,制备CoCrWSi防护涂层。利用自研的高温沙粒冲击试验机,研究CoCrWSi涂层在沙蚀环境中的高温冲击磨损行为,通过冲击动力学响应和磨痕形貌来评价该涂层的耐冲击磨粒磨损性能。结果表明:CoCrWSi涂层具有耐高温冲击磨粒磨损性能,具体表现为相同冲击次数下,CoCrWSi涂层样品的磨损面积、磨损体积和最大磨痕深度比基体样品小数倍,CoCrWSi涂层样品的能量吸收量和吸收率均小于基体样品。在高温沙粒环境下,冲击的过程中会有大量的沙粒嵌入磨痕表面,沙粒具有的不规则棱角会切削磨痕表面,进而磨痕表面可以观察到大量犁沟。在高温沙粒环境下,基体与涂层的磨损机理为塑性变形和磨粒磨损。不同的是,软化的基体在冲击区域边缘有明显的隆起,发生更严重的塑性变形;而涂层在冲击过程中虽没有完全剥落,但涂层内部萌生了微裂纹,磨痕表面也有部分涂层剥落。研究结果是在模拟汽轮机真实服役状况下得出的,试验参数如加热温度、沙粒(杂质)、摩擦副材料等均依据汽轮机涂层应用的实际工况进行选择,对CoCrWSi涂层在汽轮机零部件上的应用有一定指导意义。

涂层厚度对镀铬锆合金界面结合力和力学性能的影响

研究镀铬锆合金(Zr-4)的拉伸失效行为。通过对拉伸过程的实时观察,研究涂层厚度对界面附着力的影响。使用有限元分析和剪切强度理论定量评估Cr涂层的界面附着力。此外,还研究镀铬样品的裂纹扩展行为。结果表明,随着涂层厚度的增加,界面剪切强度和界面黏附性能下降。然而,对基材的保护作用随着涂层厚度的增加而增加。此外,涂层与基体界面处裂纹扩展的路径也随着涂层厚度的增加而变化。较薄涂层界面处的裂纹很容易扩展到基体中,造成局部损伤。较厚涂层的裂纹更容易沿界面扩展,导致黏合剂失效。

核用2.25Cr-1Mo钢在不同环境下的微动磨损性能

目的研究核用2.25Cr-1Mo钢在不同环境下的微动磨损性能。方法采用自制的切向微动磨损试验设备,在4种环境(温室RT/大气、RT/水、450℃/大气和450℃/液态钠)下对2.25Cr-1Mo钢进行了切向微动磨损试验。试验参数为:法向载荷20 N,运动频率5 Hz,位移幅值50μm,循环次数10^(5)和2×10^(5)。试验前,采用维氏硬度仪测量了2.25Cr-1Mo钢在室温和450℃高温下的硬度。试验后,采用Bruker白光干涉显微镜测量了磨痕的三维形貌并获得了截面轮廓和磨损量。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)分析磨痕表面和横截面的微观形貌以及摩擦化学反应。结果2.25Cr-1Mo钢在不同环境下表现出不同的磨损性能。450℃液态钠环境下的磨损量最大,大于450℃和室温大气环境下的磨损量;室温水环境下的磨损最小。经过10^(5)微动循环后,2.25Cr-1Mo钢在450℃液态钠和室温水环境下表现出最大和最小的磨损率,分别为4.17×10^(-6)mm^(3)/(N·m)和0.32×10^(-6)mm^(3)/(N·m)。结论2.25Cr-1Mo钢在室温大气环境下的磨损机制为分层、剥落和氧化磨损;随着温度升高到450℃,大气环境下的氧化磨损加剧,伴随着剥层和“锻造流线”;室温水环境下的磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损;450℃液态钠环境下的磨损机制为磨粒磨损、黏着磨损和“锻造流线”,同时钠的腐蚀协同作用也加速了材料的失效。

某微型齿轮机构的随机振动摩擦学试验研究

目的 解决微型齿轮机构在随机振动环境下服役寿命短的问题,通过跑合优化微型齿轮机构摩擦副的界面性能,提升其服役耐久性。方法 对微型齿轮机构进行跑合试验,采用正交试验法研究振动时间以及OX和OZ方向的随机振动能量对跑合效果的影响。为验证不同参数组合的跑合效果,设计标准工况振动载荷谱验证实验,测试实验前后的延时时间变化,并以此作为评判跑合效果的依据,借助平衡摆销表面磨损面积评判微型齿轮机构的磨损程度,通过统计学分析得到各个因素对跑合效果的影响趋势以及最优参数。结果 各因素对跑合效果的影响主次为振动时间>OZ方向随机振动量值>OX方向随机振动量值。随着振动时间和OZ方向振动能量的增加,延时时间变化量出现极小值,摆销磨损面积的增加速度呈现变缓的趋势。通过观察发现,OZ方向的振动使表面发生磨粒磨损,有助于表界面的跑合,而OX方向的振动能量对跑合效果的影响不显著。结论 通过延时时间变化量极差分析得到最优的跑合参数组合,振动时间为450min,OX和OZ方向的随机振动等效能量分别为6.79g和15.17g。

2.25Cr1Mo传热管切向微动磨损性能研究

钠冷快堆换热器中的冷却剂与构件之间的流致振动会导致传热管发生微动磨损。以钠冷快堆换热器传热管候选材料2.25Cr1Mo钢为研究对象,研究其在不同法向载荷(10、20、30 N)下的切向微动磨损行为和损伤演变规律;采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)及EDS对磨痕的形貌及摩擦化学反应进行分析;通过白光干涉仪获得传热管的磨损量。结果表明:随着法向载荷的增加,2.25Cr1Mo钢的微动模式由完全滑移转变为部分滑移,摩擦因数、磨损体积随着法向载荷的增加先增加后减小;当载荷为10~20 N时,2.25Cr1Mo钢的主要磨损机制为磨粒磨损、分层剥落以及氧化磨损,当载荷为30 N时,主要磨损机制为黏着磨损、塑性变形和氧化磨损。

钢-钢接触的扭动微动磨损氧化行为研究

在空气、氧气和氮气气氛中,研究了LZ50车轴钢在法向载荷为50 N和不同角位移幅值下的扭动微动运行行为,并重点分析了其摩擦磨损特性和氧化作用机理.结果表明,当气氛中含氧量增加时,混合区和滑移区向小角位移幅值方向移动,摩擦扭矩随循环周次的变化曲线分别为跑合、上升和稳定阶段,当气氛中含氧量增加时,上升阶段缩短,稳定阶段提前,摩擦扭矩值则越低.在部分滑移区,损伤比较轻微,在混合区和滑移区,扭动微动磨损机制为磨粒磨损和剥层,并伴随明显的塑性变形.摩擦氧化在扭动微动接触界面不仅增加了界面滑移,而且产生的氧化磨屑不易排出接触区,因此有利于减少磨损.

扭动微动的模拟及其试验研究

在CETRUMT-2型多功能摩擦磨损试验机上配置高精度低速往复转动台，构成新型试验装置并成功实现了球／平面接触条件下的扭动微动；在低速往复转动台上进行了GCr15钢球（直径10mm）与IZSO钢在扭动角位移幅值为3°～20°和法向载荷10N时的扭动微动试验，并在分析其摩擦动力学行为的基础上对LZ50钢的扭动微动损伤特征进行探讨．结果表明：角位移幅值和循环次数对扭动微动行为影响很大；可以通过摩擦力矩-角位移（T-θ）曲线表征扭动微动行为；随着循环次数变化，T-O曲线呈3种基本类型，即平行四边形状、椭圆状和直线状．扭动微动损伤在低角位移幅值时较轻微，随着角位移幅值增加，出现塑性流动、氧化磨损和剥层。

扭动微动条件下含水气氛对氧化行为的影响

对7075铝合金/GCr15摩擦副在不同湿度条件下扭动微动的损伤行为、氧化行为进行了研究.建立了7075铝合金在不同湿度条件下的扭动微动运行工况微动图.采用SEM、XPS对不同湿度环境下的磨损机制、氧化行为及其影响因素进行了分析.结果表明:湿度对7075的扭动微动运行存在显著影响,随着湿度的增加,摩擦扭矩明显降低;部分滑移区的磨损发生在接触边缘,损伤轻微;混合区和滑移区发生强烈的塑性变形,损伤严重,其主要磨损机制是磨粒磨损和剥层;潮湿空气增加了界面滑移,反应生成的氧化磨屑起到了润滑剂的作用,减轻了磨损.

激光熔覆Ni60和Co-Cr-W合金层的高温磨损特性研究

在4Cr14N iW2Mo耐热合金钢表面熔覆N i60和Co-Cr-W合金粉末,获得具有良好冶金结合和组织致密的熔覆层。在不同温度条件下(室温、250℃和420℃),对N i60和Co-Cr-W熔覆层及其基体材料进行了摩擦磨损试验。研究结果表明:Co-Cr-W熔覆层和基体材料的磨损机制为磨粒磨损、剥层和氧化磨损的共同作用,其摩擦因数随温度的升高而降低;对于N i60熔覆层,其摩擦因数几乎不受温度的影响,其磨损机制表现为磨粒磨损。在高温条件下,N i60熔覆层比Co-Cr-W合金熔覆层具有更优良的高温摩擦磨损性能。

聚甲基丙烯酸甲酯的扭动微动摩擦学特性

在新型扭动微动试验机上,进行聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)与Ф40 mm GCr15钢球在扭动角位移幅值为0.5°~10°和法向载荷为100N的扭动微动试验。在摩擦动力学行为研究的基础上,分析材料磨损机理。结果表明,PMMA存在有平行四边形和椭圆两种T-θ曲线;低扭转角时,T-θ曲线随着循环次数的增加从平行四边形向椭圆形发展;大扭转角时,T-θ曲线始终为平行四边形。PMMA的扭动微动磨痕沿半径方向,可依次分为粘着区、微裂纹区和剥落区。在低角位移幅值(θ≤2.5°)时,扭动微动损伤较轻微;随角位移幅值的增大,粘着区变小,损伤加重,表面出现纺锤状剥落坑自中心呈放射状分布,其尺寸随角度增大而变宽。对磨屑的GPC分析结果表明PMMA在扭动微动条件下分子量变小,PMMA扭动微动的磨损机理主要为剥落与表面裂纹。

人股骨密质骨横断面径向微动行为

在径向微动试验机上,采用球-平面接触方式,对新鲜人股骨密质骨的轴向断面进行了不同法向载荷（Fn=100~300 N）条件下的径向微动体外试验.在其动力学分析的基础上,对磨痕进行了观察,并采用纳米压痕方法对哈佛氏系统的骨板进行了测试.结果表明：径向微动条件下,在密质骨哈佛氏系统中可观察到3种典型裂纹（即放射状、环状和连接裂纹）形态;随着哈佛氏骨板逐渐过渡到间骨板间,其硬度和弹性模量逐渐增加.骨表面产生微裂纹和组织体剥落是密质骨径向微动的主要损伤机制.哈佛氏系统的特殊结构对密质骨的径向微动损伤行为有重要影响.

690合金在去离子水和干态下的微幅冲击磨损行为研究

在小载荷冲击实验台上,通过改造夹具,实现了管/平面接触方式,以模拟蒸汽发生器中传热管与抗震条发生的微幅冲击磨损。以690合金传热管和405不锈钢为试验材料,在不同的冲击载荷和润滑条件(干态与去离子水中)下进行了微幅冲击磨损试验,通过分析磨痕面积、微观形貌、断口形貌和磨损区硬度等,探讨了690合金受微幅冲击磨损和失效机理。研究结果表明:在干态环境下,小载荷时690合金的磨损机制主要为氧化和剥落。随着载荷的增大,其损伤机制为氧化磨损和疲劳磨损;在去离子水环境条件下,小载荷时,损伤轻微;随着载荷的增大,其损伤机制为疲劳磨损。水介质显著的延缓了材料的开裂时间。