Page 84 - 《摩擦学学报》2020年第4期
P. 84

494                                     摩   擦   学   学   报                                 第 40 卷

            气氛下磨损率远高于氮气及氦气条件下，而与SRV试                           纯钠金属回路使得材料表面难以形成氧化物钝化层，
            验结果相反，8 m长的升床试验证明氦气循环下磨损                           造成材料摩擦与磨损增大. 钠冷快堆中摩擦与磨损主
            要远远大于空气及氮气气氛，这是由于氦气气体密度                            要发生在安装垫、燃料包壳与格架、钠流体泵轴承、控
            低，其阻尼效果更弱，石墨小球在上升过程中遇到异                            制棒驱动系统和热交换器支持等部位. 由于高温液态
            常扰动更容易发生碰撞，从而导致磨损增大，后者更                            钠环境中部分合金中的Ni、Cr、Mn和Si等元素会在高
            接近实际工程环境，也很好地揭示了石墨燃料球循环                            温区析出并沉降在低温区，这种扩散-溶解-沉降导致
            过程中磨损过大的主要原因. 如何从提高陶瓷石墨燃                           材料表面成分及结构发生变化，磨损率急剧增加. 因
            料小球机械性能和从工程角度减少燃料球在循环中                             此，钠冷快堆一回路材料需要在不同温度液态钠条件
            碰撞这两个方面入手改善堆内磨损情况，依然是高温                            下具有稳定的晶体结构和化学成分来降低磨蚀，后期
            气冷堆运行过程中摩擦磨损领域面临的巨大挑战.                             研究中钠冷快堆大量采用包括316不锈钢、Cr-Mo合金
            1.3    快堆腐蚀磨损                                      钢等具有高温稳定性、耐钠腐蚀以及高性价比的结构
                快中子反应堆是由快中子产生链式裂变反应的                           材料. 除了对钠冷快堆结构材料进行合金化设计提高
            反应堆，简称快堆，是第四代核能系统堆型之一. 快堆                          其抗腐蚀及磨损性能 ，表面改性技术也广泛用于提
                                                                                 [36]
            的目标是发展快中子增殖堆核能技术及配套的先进                             高合金耐磨蚀性能，如激光熔覆镍基TribaloyT-700合
            核燃料循环系统，实现裂变核能的可持续发展. 以钠                           金化改性、多弧离子镀CrN 涂层以及TiG焊Ni-Cr-B
                                                                                      [37]
            冷快堆为例，其核岛内部结构材料除了要面对高温及                            涂层等. 尤其是Ni-Cr-B涂层，Kumar等 研究结果表
                                                                                                [38]
            高辐照剂量，还要考虑运行工况极为苛刻的500~600 ℃                       明，该涂层在550 ℃液态钠环境下静态摩擦系数低至
            高温液态金属钠及钠蒸汽腐蚀介质. 因此，一回路高                           0.1以下，动态摩擦系数约为0.01~0.02，且磨损率控制
            温液态钠环境下的腐蚀与磨损是反应堆运行过程中                             在0.6×10 ~3×10  m /(N·m)之间，加载11 MPa接触
                                                                                  3
                                                                       −12
                                                                              −12
            必须关注的重点. 早在上世纪70年代，美国加州液态                          应力高温下135 d未见明显的自扩散，显示出在钠冷快
                                  [33]
            金属工程中心Hoffman等 就在FFTF高通量实验堆建                       堆中的良好应用前景.
            造过程中首次提出，解决高温钠介质下反应堆材料摩
                                                               2    裂变堆核环境下润滑
            擦磨损问题对保障反应堆安全运行至关重要，高温液
            态钠环境下包壳磨损必须考虑温度和液态钠中的含                                 在核反应堆一回路中，运动机械及部分构件需要
            氧量、金属表面化学成分转移扩散以及高温下液态金                            进行润滑及强化处理，实现减摩、抗磨、防扩散粘连等
            属润湿及磨损状态三方面. 随后德国卡尔斯鲁厄研究                           效果，这包括反应堆内支持、固定和中子测量组件，用
                      [34]
            中心Wild等 利用销盘摩擦试验机在250~600 ℃以及                      于驱动反应堆内冷却剂在系统中循环的核主泵部件，
            3~5 mg/L氧含量液态钠回路下，系统地考察了钴基、                        以及正常运行工况下控制反应堆启堆、停堆、调控功
            镍基合金等不同燃料包壳材料摩擦磨损特性，包括司                            率和事故工况下的紧急停堆的控制棒组件等. 这些组
            太立合金Stellite6、镍基合金Inconel718和哈氏合金                  件要求润滑或耐磨材料除了具备低摩擦、耐磨损等特
            Hastelloy C等. 结果表明400 ℃液态钠下Stellite6和              点外，还要具有耐腐蚀、抗辐射以及高可靠服役效果.
            Hastelloy C摩擦系数稳定在0.3~0.4之间，Inconel718摩                依托Fast Flux Test Facility(FFTF)快堆，Johnson [39]
            擦系数随摩擦次数的增加持续上升甚至超出0.5~                            系统地考察了钠冷快堆堆内支撑与固定组件润滑、防
            0.6这个工程限值；Stellite6合金摩擦系数随着液态钠                     扩散涂层中子辐照环境下服役行为，发现与基材之间
            回路温度上升而持续增大，这是由于静态摩擦系数远                            冶金结合是保障涂层可靠性的关键，物理/化学气相沉
            大于动态摩擦系数，高温下金属表面扩散黏着造成摩                            积涂层均存在明显的结合力弱问题，基材与涂层之间
            擦表面黏-滑起停现象更明显，从而表现为摩擦系数                            不同辐照肿胀应力、辐照气体产物在界面处的聚集以
            及其抖动增大. 日本原子能机构Yoshida等 系统地总                       及涂层辐照下硬化导致涂层服役失效. 传统等离子体
                                                [35]
                                                                                                       22
            结了钠冷快堆中腐蚀及磨损问题，提出由于钠冷快堆                            喷涂制备的Cr C 涂层在中子辐照剂量为3×10  n/m                2
                                                                           3 2
            中高温液态钠与氧有很强的相容性，回路中金属表面                            条件下，仅仅经过20次450~650 ℃热冲击试验，涂层
            氧化层极易被去除，因此在相同材质部件直接接触部                            与奥氏体不锈钢之间出现了明显的裂纹；而利用爆炸
            位磨损增大以及自扩散极易发生. 控制液态钠回路中                           喷涂将同类涂层结合力由52提高到69 MPa以上，
            氧杂质含量可以抑制回路中材料腐蚀，但与此同时高                            Cr C 涂层中子辐照环境下经历240次以上热冲击未见
                                                                 3 2
   79   80   81   82   83   84   85   86   87   88   89