Page 136 - 《摩擦学学报》2021年第3期

第 3 期 江海霞, 等: 核反应堆中锆合金包壳及其表面涂层的微动磨损行为研究进展 425

Phase I
(a) (b) Coolant

P Q Spacer grid Spacer grid
Cladding Cladding
metal metal
Q P
Grid-to-rod
vibration UO 2 UO 2
Cladding
Cladding
oxide oxide
Fixed Gap
Seesaw
Pacer Phase II Phase III
grid
Spacer grid Spacer grid
Q
P Fallout of Cladding Fallout of Cladding
oxide pariticle metal b rittle metal metal
particle
Hairline
Q P cracks UO 2
UO 2
Q
P Cladding Cladding
oxide oxide

Coolant flow Oar

[14]
Fig. 2 (a) Schematic diagram of coolant flow-induced fuel rod vibration and (b) schematic diagram of an in-reactor
grid-to-rod fretting wear model
[14]
图 2 (a)冷却剂流动诱导燃料棒振动 和(b)格-棒间微动磨损模型示意图
会因中子辐照及氢化物形成发生脆化，在此阶段锆合 损)和第三阶段(锆合金基体磨损). 在包壳与支撑格架
金包壳磨损率最高. 紧密夹持时，包壳表面主要为塑性变形和疲劳磨损.

2.2 锆合金包壳材料摩擦学特性 随着格-棒间间隙的增大，流致振动导致燃料包壳撞

2.2.1 机械与环境因素对锆合金包壳材料微动磨损 击有间隙的支撑件(上部支撑件)，使包壳管的磨损行
[20]
行为的影响 为发生改变 . 为理解冷却水对格-棒间微动磨损的具
锆合金包壳材料微动磨损行为受多种因素影响， 体影响机制，众多学者对不同冷却水状态下锆合金包
[16]
其中格架形状、格棒间间隙、水流速、磨损频率、摩擦 壳磨损行为进行了研究. Lee等 的研究表明，流速为
环境和温度等因素被广泛的研究 [16-19] . 作为燃料组件 5 m/s时，间隙为0.25 mm的总体磨损量是间隙为0.1 mm
的关键组成之一，支撑格架利用弹簧和韧窝紧紧夹持 时的20倍左右[图3(c~d)]. 这是因为包壳振动频率和滑
燃料棒，使燃料棒之间保持一定距离，从而限制冷却 移振幅随间隙的增大而增大，导致亚表面裂纹的萌生
水流经燃料组件时引起的振动. 研究表明支撑格架形 扩展及表面大片磨屑的剥离和断裂 [16, 21-22] .
状对锆合金包壳的微动磨损有着很大的影响，支撑格 水润滑条件下 [16, 22] ，锆合金与耦合材料的磨损深
架的形状差异使得冷却水流经包壳管的方向不同，从 度很大程度依赖于材料的机械性能，多为疲劳磨损结
而引起支撑格架与包壳管间振动模式的改变[图3(a~b)]， 合磨粒磨损. 在静止水中，微动磨损机制主要为疲劳
引起磨屑行为和微动磨损机理的变化，最终造成磨损 剥落和磨损氧化的协同作用和相互转换. 流动水下的
[14]
量的差异 [16-17] . Kim等 利用接触力学理论分析了T型 摩擦深度要远远大于静止水下的摩擦深度. 流体流动
和L型支撑格架对锆合金包壳微动磨损行为的影响. (水流动及水/空气流动)会对接触部分造成影响且对
研究表明凸形轮廓的纵向定向支撑件(L型)可以获得 支撑格架固定包壳的能力造成干扰，在更高载荷下出
均匀的应力，从而防止局部严重磨损. 而横向取向支 现粘结现象. 冷却水局部流动速度可能随时间在短距
撑件(T型)铸造过程可能在接触边缘产生突起，在流致 离上发生变化，导致作用于包壳管上湍流力强度的变
[23]
振动作用下，局部接触应力升高，加剧磨损的产生. 化 [图4(a)] . 随流速增大，冲击频率的增加使得摩擦
从前文可知，锆合金包壳的磨损主要发生在格- 碎片层更容易被粉碎成磨粒层，加剧磨损. 相同的格-
棒间夹持力减弱的第二阶段(燃料包壳表面氧化膜磨 棒间间隙条件下，流速为7 m/s的磨损量要比流速为5 m/s