Page 85 - 《摩擦学学报》2020年第4期

第 4 期 王鹏, 等: 核环境下的摩擦、磨损与润滑 495

250
0.5 PTFE/100
PEEK
200 Load: 5 N PI
Friction coefficient 0.3 Frequency: 6 Hz Friction coefficient 150 Frequency: 6 Hz
0.4
Load: 5 N
Full amplitude: 5 mm
Full amplitude: 5 mm
Counterpart: GCr15 ball
Counterpart: GCr15 ball
Ball diameter: 6 mm
Ball diameter: 6 mm
100
Laps: 5 400 r
0.2
PTFE/100 50 Laps: 5 400 r
PEEK
PI
0.1 0
0 0.1 0.2 0.6 1.0 5 10 20 0 0.1 0.2 0.6 1.0 5 10 20
Irradiation dose/MGy Irradiation dose/MGy
(a) Friction coefficient (b) Wear rate

Fig. 5 Changes of friction coefficient and wear rate of three polymers as function of radiation dose of gamma rays
图 5 PTFE/PEEK/PI三种聚合物摩擦系数及磨损率随伽马射线辐照剂量变化趋势
明显裂纹. 钠冷快堆堆内燃料棒安装及固定部件要求 PE)，试验表明UHMW-PE随辐照剂量增加颜色由白色
7年、625 ℃、6×10 n/m 中子辐照条件下能够保持最 向棕色转变，计量高于1 MGy后UHMW-PE性能发生
2
22
[44]
低的摩擦系数，并能有效防止扩散，利用爆炸喷涂发 了明显退化. Chai等 考察了0.1~20 MGy伽马射线辐
展的Ni-25%Cr复合的Cr C 涂层满足了FFTF的要求. 照后聚四氟乙烯(PTFE)结构及摩擦学性能变化，发现
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在中国HTR-PM高温气冷堆中，类似部件温度要求达到 PTFE的长链发生断裂，随辐照剂量增大，PTFE由非晶
800 ℃，服役寿命要求为30年，热喷涂Cr C 基高温润 无序主导结构转变为有序结晶主导结构. 大于5 MGy
3 2
[40]
滑涂层也通过了前期验证 . 剂量后，力学性能显著降低. 当辐照剂量低于0.3 MGy
反应堆主泵中的叶轮、转子、轴瓦和轴承等部件， 时，随辐照剂量的增加PTFE摩擦系数升高明显，辐照
虽然不直接接触中子辐照，但是由于腐蚀介质以及运 剂量1 MGy后趋于饱和. 但磨损率持续升高，这是由
动部件摩擦磨损，在冷却剂循环作用下会把磨损或腐 于力学性能下降和表面裂纹扩展，PTFE的磨损机制
蚀的颗粒带进芯堆，辐照后形成放射性核素造成很强 由磨粒磨损主导逐渐转变为黏着、疲劳及剥落混合磨
的放射性，因此，对这部分运动部件强化处理，不仅要 损. 通过对比试验发现，聚酰亚胺与聚醚醚酮两类聚
考虑抗腐蚀、耐磨损，还要考虑减少或避免形成长寿 合物相比聚四氟乙烯，摩擦系数在高辐照剂量下有下
命核素元素的使用. 目前主泵材料主要是含低钴奥氏 降趋势，损伤计量阈值更高，换言之更耐辐照. Saito等 [45]
体不锈钢，轴承多采用司太立合金，利用硬质合金代 直接对不同材料组装的驱动电机进行了10 MGy伽马
[7]
替司太立合金可以大大降低回路中的放射性 . 主泵 射线辐照试验，证实选取聚酰亚胺以及聚苯醚类材料
中部分轴承如径向轴承及推力轴承都直接用冷却剂 代替普通电机聚合物，可保证电机整体经8 MGy伽马
即水提供润滑，由于水的黏度低，核主泵水润滑轴承 射线辐照后摩擦力矩及制动力矩保持稳定. 由此可
在复杂工况还存在诸多难题，如水润滑膜薄及承载力 见，高计量伽马射线辐照下选用聚酰亚胺及聚苯醚类
低、重载下摩擦副表面难以形成连续液体润滑膜、轴 聚合物具有更为可靠的润滑效果.
承摩擦副材料选择等. 主泵轴瓦多使用巴氏合金以及 控制棒组件实现运动的关键零件如轴承、转子、

改性石墨材料，硅化石墨以及碳化硅材料能够很好地 链条以及导轨等多采用固体润滑处理，主要是以表面
取代传统石墨轴瓦材料 [41-42] . 激光熔覆层、无机粘接润滑涂层以及类金刚石碳薄膜
[46]
控制棒组件由驱动机构带动星状分布细直棒插 为主. Ledin 最早研究了控制棒机械部件润滑材料设
入燃料组件控制棒导向管，为保障反应堆安全运行， 计，发现表面氮化等处理手段难以解决控制棒高温高
控制棒运动部件需要在任何情况下均能够快速灵活 载荷下扩散粘连. 通过对比以MoS 和石墨为基础的润
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地落下或抽出，控制棒传动零部件运行过程中承受伽 滑涂层发现，磷酸盐基润滑涂层服役效果优于硅酸盐
马射线辐照剂量高达1~10 MGy以上，这就要求其运 粘接涂层效果，相比于表面氮化控制棒机械部件，其
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动部件具有高可靠润滑效果. Irving等 利用剂量率为 润滑寿命提高20倍且磨损几乎可以忽略. 针对国内
5.94 Gy/s的伽马射线辐照超高分子量聚乙烯(UHMW- 10 MW高温气冷堆研发要求，中科院兰州化学物理研