文章编号：1004-0609(2013)07-1900-07
高温大气和N2中Inconel690/1Cr13不锈钢的微动磨损特性
叶 毅1，任平弟1，张晓宇1，郭 洪1，李长香2
(1. 西南交通大学 摩擦学研究所，成都 610031；
2. 中国核动力研究设计院设计所，成都 610041)
摘 要：在试验温度为20~25 ℃(air)、300 ℃(air)、300 ℃(N2)，法向载荷为(Fn)50和100 N，位移幅值为60~200 μm的条件下，采用PLINT高温微动磨损试验机研究核电蒸汽发生器传热管材Inconel690与1Cr13不锈钢圆柱配对副在滑移区的微动磨损特性。结果表明：当法向载荷一定时，随位移幅值增加，在高温大气中，微动摩擦因数逐渐升高；而高温氮气中，摩擦因数降低。当载荷和位移相同时，Inconel690在高温大气中磨损较轻，在高温氮气中损伤较严重。在高温大气和高温氮气中磨痕表面均出现不同程度摩擦氧化，主要生成Fe、Ni、Cr等合金元素的氧化物。Inconel690的磨损机制主要表现为磨粒磨损、摩擦氧化和剥层磨损的共同作用。
关键词： Inconel690；高温氮气；微动磨损；摩擦氧化；剥层磨损
中图分类号：TH117.1 文献标志码：A
Fretting wear behavior of Inconel690 /1Cr13 stainless steel in high-temperature air and nitrogen
YE Yi1, REN Ping-di1, ZHANG Xiao-yu1, GUO Hong1, LI Chang-xiang2
(1. Tribology Research Institute, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;
2. Institute, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, China)
Abstract: The fretting wear behavior of the steam generator tubes material Inconel690 of nuclear power was investigated against 1Cr13 stainless steel by PLINT high temperature fretting tester in the slip regime under the conditions of the temperatures of 20-25 ℃(air), 300 ℃(air) and 300 ℃(N2), the normal loads of 50 and 100 N, and the displacement amplitudes from 60 μm to 200 μm. The results show that the fretting friction coefficient gradually increases as the increase of displacement amplitude under the same normal load in the high-temperature air, however, the friction coefficient decreases in the high-temperature nitrogen. The damage degree of Inconel690 is slight in the high-temperature air, but more serious in the high-temperature nitrogen at the same load and displacement. In the high-temperature air and nitrogen atmosphere, the wear surface occurs different degrees of friction oxidation which generates mainly oxidation of Fe, Ni, Cr and so on. The abrasive wear, friction oxidation and delamination are main wear mechanisms of Inconel690.
Key words: Inconel690; high-temperature nitrogen; fretting wear; friction oxidation; delamination
Inconel690是目前核电蒸汽发生器传热管最主要的选择材料。蒸汽发生器中由于高温高压水流动和热交换引发振动，从而导致传热管与支撑板之间发生微动，微动导致材料接触面间的磨损[1-2]。微动损伤是导致传热管破损引发核反应堆非计划停堆的重要原因之一。防止传热管的破损是核电工程的重大课题[3-4]。Inconel690具有良好的高温强度及稳定性，抗腐蚀和耐氧化能力强，在核电和航天等工程领域应用前景广阔。目前，对Inconel690的研究主要集中在腐蚀与防护[5-6]、杂质对管材腐蚀的影响[7]、晶间组织[8]、微动疲劳[9-10]、热处理工艺[11]、微动磨损[12]、防护涂层[13]等方面，ZHANG等[14]研究了相同用途的Incoloy800合金的高温微动磨损特性，可以参考和对比分析。本文作者针对Inconel690传热管材与1Cr13不锈钢对偶件在高温大气和高温氮气中微动运行特性及损伤机制进行了试验研究，获得了一些重要研究结果。
1 实验
1.1 试验材料
试验材料为Inconel690管材，成分见表1，规格为d19.05 mm×1.09 mm×10 mm，表面粗糙度Ra=0.02 μm。Inconel690管材由拉伸试验测得其力学性能如下：室温下抗拉强度为734 MPa，屈服强度为310 MPa；高温(300 ℃)下抗拉强度为617 MPa，屈服强度为247 MPa。对磨副材料为1Cr13不锈钢实心圆柱体，规格为d10 mm×10 mm，Ra=0.02 μm。试验是在PLINT高温微动磨损试验机上采用圆管/圆柱“十”字交叉接触方式进行，试验装置如图1所示。
表1 Inconel690化学成分
Table 1 Chemical composition of Inconel690 (mass fraction, %)
图1 微动磨损试验机示意图
Fig. 1 Schematic diagram of fretting wear test
1.2 试验
试验在环境相对湿度为50%~60%，温度为20~25 ℃(air)、300 ℃(air)和300 ℃(N2)下进行，试验前所用管材先保温30 min；法向载荷(Fn)为50和100 N；位移幅值(D)为60、100、150和200 μm；循环次数为2×104；频率为2 Hz；在高温氮气下试验时，使用纯度为98%的工业氮气，试验过程中的流速0.03 L/min，通过L型塑咀采样袋收集气体，采用SE-6000型气相色谱仪检测高温下氮气与氧气含量分别为95%、5%。试验前用丙酮清洗试样表面。试验结束后用扫描电镜(SEM，FEI-S50)、台阶仪(AMBIOS XP-2)和X射线电子能谱仪(XPS，PHI-5702)等对磨斑表面进行观测分析。
2 结果与讨论
2.1 微动运行规律
Inconel690在法向载荷为Fn=20 N、位移幅值为D=150 μm条件下，摩擦力与位移幅值(Ft—D)关系的微动摩擦特性二维图如图2所示。由图2(a)和(b)可见，Ft—D曲线均呈现平行四边形，微动运行于滑移区，接触表面间发生了明显的往复相对运动。在滑移区，随位移增加，微动摩擦力和磨损区域增加，磨损加剧，接触表面间的变形逐渐由弹塑性到塑性变形转变。
图2 104次循环的微动摩擦特性二维图
Fig. 2 Evolution of fretting wear behaviors observed on Inconel690 at cycle number (N) of 104
2.2 摩擦因数
在高温气氛、不同位移幅值条件下，摩擦因数μ随微动循环周次N的变化曲线见图3。随循环次数增加，摩擦因数μ变化存在明显区别。在高温大气中，由于氧气含量高，磨痕表面容易产生合金元素氧化物磨屑层。当法向载荷一定时，随位移增加，稳态摩擦因数逐渐增大(见图3(a))，这是由于位移较大，磨屑较易溢出和转移，摩擦副直接接触的机会增加，摩擦氧化和粘滞现象加剧。在高温氮气中，稳态摩擦因数随位移幅值增加而降低(见图3(b))，这与在高温大气中的规律相反。在高温氮气中，磨痕粘塑变形层绝大部分裸露在接触表面，位移较大，粘滞现象受到抑制，磨痕表面较易形成一层承载力较大的致密的表面膜与颗粒状磨屑交织层，具有减摩作用。与在高温大气中比较，由于高温氮气中摩擦稳态并不容易形成，所以，出现了较长时间(5 000~10 000次循环)的波动过渡状态。在过渡状态，摩擦因数较高，波动起伏也较大。
图3 不同位移条件下摩擦因数与循环次数的关系
Fig. 3 Relationship between friction coefficient and cycle numbers at different displacement amplitudes
2.3 磨痕形貌
图4所示为Inconel690的磨痕表面轮廓。当Fn=50 N时，位移幅值D增加，磨痕宽度和深度增大，磨损量显著增加。因为位移增加，磨屑溢出和转移速度加快，磨屑层相对较薄，磨损较严重(见图4(a))。当Fn=100 N时，磨损情况与此类似，法向载荷越大，损伤越严重。如图4(b)所示，当法向载荷Fn和位移幅值D一定时，Inconel690在高温大气中磨痕深度较小，这是由于高温氧化效应，磨痕表面聚集一层均匀分布的氧化物磨屑，形成“第三体层”，对磨痕表面起到承载、减摩的保护作用。Inconel690在高温氮气中磨痕较深，这是因为氮气气氛中，氧气含量显著降低，少量氧化物磨屑覆盖在磨痕表面，磨损界面绝大部分裸露，材料界面直接接触，磨损严重。Alloy690高温冲击微动磨损试验证实[15]，在290 ℃下的磨损率比在常温下的小，这是由于磨痕表面覆盖一层光滑均匀细小的氧化磨屑，起到承载、减摩保护作用。如图4(a)所示，磨痕轮廓呈现非对称“W”形，表明磨痕表面轮廓形貌显现中间粘着周边磨损的基本特征。
图4 Inconel690磨痕表面轮廓
Fig. 4 Wear surface profiles of Inconel690
图5所示为Fn=100 N、D=150 μm时Inconel690磨痕表面的SEM像。在室温大气中，磨痕表面覆盖较厚松散的氧化物磨屑，磨屑溢出、转移现象明显，磨损相对较严重(见图5(a))。对比室温大气中发现，高温大气中摩擦氧化现象更为显著，磨损颗粒经反复碾压形成细小磨屑，并粘结成片状紧密地覆盖在磨痕表面，对磨痕表面起到承载、减摩及保护作用，损伤相对较轻(见图5(b))。
图5 Inconel690磨痕表面SEM像
Fig. 5 SEM images of worn scars of Inconel690 (Fn=100 N, D=150 μm)
图6 Inconel690磨痕表面清洗后SEM像
Fig. 6 SEM images of worn scars of Inconel690 after cleaning (Fn=100 N, D=150 μm)
图6所示为磨痕表面用丙酮采用超声波清洗后SEM像。在室温大气中，磨痕表面有大块状磨屑剥落形成较大尺度凹坑，磨损相对较严重(见图6(a))。在高温大气中，材料表面损伤相对较轻，呈剥层磨损机制，凹坑尺度相对较小(见图6(b))。
在高温氮气中，由于降低了氧气含量，少量氧化物磨屑堆积在磨痕表面，材料界面的直接接触现象突出，磨痕表面有明显的塑性流动和犁沟出现，磨痕中心有块状颗粒和片状磨屑剥落，比常温大气、高温大气中的磨损严重(见图5(c))。高温氮气中磨屑颗粒的形态与常温、高温大气中的存在显著区别，少量磨屑颗粒呈离散状分布于磨痕表面(见图5(c))，清洗后观测到磨痕中心有浅平凹坑(见图6(c))。
2.4 磨痕表面化学组成分析
图7所示为Inconel690在高温大气中磨痕表面的XPS宽带扫描得到的Fe 2p、Ni 2p、Cr 2p谱。Fe 2p3/2、Cr 2p3/2、Ni 2p3/2的图谱分析表明[16]，Inconel690磨痕表面出现了FeO、Fe2O3(Eb=709.5、715.7eV)，Ni、NiO、Ni2O3(Eb=852.8、854.6、861.1 eV)，Cr2O3、CrO3 (Eb=576.5、577.9 eV)等合金元素氧化物。
图7 在高温大气中Inconel690磨痕表面XPS谱
Fig. 7 XPS spectra of wear scar on Inconel690 in high-temperature air (Fn=50 N, D=100 μm)
图8所示为Inconel690在高温氮气中磨痕表面的XPS宽带扫描得到的Fe 2p、Ni 2p、Cr 2p谱，Fe 2p3/2、Cr 2p3/2、Ni 2p3/2的图谱分析表明[16]，Inconel690合金磨痕表面出现了Fe、Fe3O4、Fe2O3(Eb=707、711.1、715.7eV)，Ni、Ni2O3(Eb=852.8、856 eV)，Cr2O3(Eb=576.7 eV)等物质。由此可见，在高温大气和高温氮气中摩擦氧化导致磨痕表面生成的金属氧化物存在差异。
图8 在高温氮气中Inconel690磨痕表面XPS谱
Fig. 8 XPS spectra of wear scar on Inconel690 in high-temperature nitrogen (Fn=50 N, D=100 μm)
磨痕表面A、B、C处的EDX成分分析表明(见表2)，在高温氮气环境中，磨屑中Ni含量显著增加，Fe含量相对降低，是因为其O含量明显低于高温大气和常温大气中的O含量。高温大气中氧化效应促进氧化物磨屑的形成，对材料表面起到明显的保护作用，磨损机制主要表现为摩擦氧化和剥层磨损。高温氮气中磨痕表面出现了轻微氧化现象，同时，氮气抑制“第三体”氧化物磨屑层的形成，磨损机制主要表现为磨粒磨损与剥层磨损的共同作用。
表2 Inconel690磨痕表面的元素成分
Table 2 Chemical composition of wear scar on Inconel690 (Fn=100 N, D=150 μm)
3 结论
1) 当法向载荷一定时，随位移幅值增加，在高温大气中，微动摩擦因数升高，这是因为位移较大，磨屑较易溢出和转移；而在高温氮气中，摩擦因数降低，这是由于粘滞现象受到抑制，较易生成一层光滑致密的表面膜，具有减摩作用。
2) 当载荷和位移一定时，Inconel690在高温大气中氧化效应促进“第三体”氧化物磨屑层的形成，起到承载减摩作用，损伤轻微；在高温氮气中氮气抑制氧化物磨屑生成，材料界面直接接触现象明显，磨损严重。
3) Inconel690微动磨损过程中磨痕表面聚集一层磨屑，摩擦氧化主要生成了Fe、Ni、Cr等合金元素的氧化物。在滑移区，Inconel690磨损机制主要表现为磨粒磨损、摩擦氧化和剥层磨损的共同作用。
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(编辑 何学锋)
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075342)
收稿日期：2012-10-17；修订日期：2013-04-12
通信作者：任平弟，教授，博士；电话：028-87600226；E-mail：rpd@swjtu.edu.cn
