高温环境下钼合金管的fretting图建立

《Wear》：Fretting map establishment of Mo alloy tube in high-temperature environment

　　

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  1. 建立了高温惰性气体环境中Mo合金包壳管的微动磨损图。
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  阐明了三种状态区域中裂纹、黏着和磨粒磨损机制的演变过程。
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  研究了Mo合金包壳管与绕丝之间的微动磨损行为。
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  表征了塑性-位错响应；Mo合金表现出比Zr合金更好的微动耐磨性。

引言

作为反应堆的核心部件，燃料组件在整个核反应堆使用寿命期间为核裂变反应提供充足的核燃料材料，由燃料芯块、燃料包壳和结构件组成[1]。作为燃料组件的关键部件，燃料包壳管能够保护核燃料并提供结构支撑，其性能和可靠性对反应堆整个运行过程至关重要[2]。在高温高辐照运行条件下，包壳材料的选择必须慎重。传统锆合金核燃料包壳由于其能够在耐腐蚀性、中子透明性和力学性能之间取得平衡而得到广泛应用[3]。然而，由于高温氧化和氢脆效应，其在气冷堆中的应用受到限制[4]。与锆基材料相比，钼合金在超高温下能够保持稳定的微观组织和力学性能，显著提高了反应堆事故条件下的结构完整性。同时，得益于其高熔点、高导热性、低中子吸收截面、优异的高温强度和突出的耐辐照性，钼合金非常适合作为新一代核燃料的包壳材料[5]。

高速流动的冷却剂流过绕丝燃料棒结构时引起流动诱导振动，导致绕丝结构与燃料包壳管之间产生微动磨损。这会导致燃料包壳穿透失效和放射性物质泄漏，严重影响反应堆的长期运行安全[6], [7]。影响燃料包壳微动磨损的主要因素包括位移幅值、载荷[8], [9], [10]、频率、时间[11], [12]、接触形式[13]、环境和气体流量[14], [15]。研究人员将微动运行状态划分为局部滑移状态（PSR）、混合微动状态（MFR）和整体滑移状态（GSR）[16]。

核燃料包壳的微动磨损研究主要集中在锆合金上。Wang等人[17]开发了一种独特的微动磨损试验装置，研究了Zr-4合金在不同温度环境下的微动磨损行为。Lucadamo等人[18]通过实验与模拟相结合的方法建立了Zr-4合金微动磨损的能量耗散模型。Liao等人[19]研究了Cr镀层Zr-1Nb合金包壳管在290和310°C的PWR环境中与定位格架之间的微动磨损行为。目前，虽然对锆合金微动磨损行为的理解已取得一系列进展，但对钼合金微动磨损行为的研究仍然十分有限。在气相环境方面，Velkavrh等人[20]以空气为参考气氛，在氩、氮和二氧化碳条件下研究了温度对DIN 100Cr6钢磨损行为的影响。结果表明，氩气中接触界面的黏着作用减弱，导致磨损程度降低。Xin等人[21]探索了位移对690合金在空气和氮气气氛中微动磨损行为的影响。由于氮气中更强的黏着作用，与空气相比，从局部滑移状态到整体滑移状态的转变被延迟。在微动图建立方面，Soria等人[22]确定了Incoloy 800蒸汽发生器管对AISI 420马氏体钢的材料响应微动图。Li等人[23]建立了Ti-10V-2Fe-3Al钛合金的微动运行图。Zhang等人[24]构建了690TT管在高温高压水中的运行条件微动图。然而，关于高温惰性气体环境中钼合金包壳的微动运行状态和损伤机制的研究极其稀缺。在气冷堆的实际应用中，绕丝结构作为燃料包壳管的一种新型接触结构。关于管材试样与线材试样正交接触微动磨损行为的系统深入研究尚未开展。

因此，本研究在高温氩气环境中系统地开展了钼合金包壳管与钼合金对磨丝之间的切向微动磨损实验。研究目的是探索钼合金包壳的微动运行状态，揭示钼合金包壳在高温氩气环境中滑移机制的演变规律，分析不同滑移状态下的磨损形貌和磨损痕状态，并进一步理解各种微动运行状态下的微动磨损规律和磨损机制。

章节摘要

试样

本研究使用的材料为钼合金燃料包壳管，以钼合金丝作为对磨体。管试样长度为20 mm，外径为9.5 mm，壁厚为0.25 mm；丝试样长度为60 mm，直径为0.9 mm。材料的弹性模量和泊松比分别为320 GPa和0.3。表1列出了不同法向载荷下计算得到的最大初始应力，该值仅

摩擦学行为

根据摩擦力-相对位移F_t-D曲线的形状和滑移率，可将运行条件分为三种状态。滑移率定义为微动周期中滞后位移与施加位移幅值的比值：$$$$其中：B为滑移率，$$表示微动周期中的滞后位移，$$为施加的位移幅值。每个微动周期的滞后位移从F_t-D中提取

讨论

F_t–D曲线是构建微动图的重要依据。基于F_t–D曲线和磨损痕形貌（图3和图4），建立了钼合金包壳管的微动图[32]。如图5所示，混合微动状态的适用范围随载荷增加而扩大，其边界向更大位移幅值方向偏移。这是因为载荷增加需要更大的位移才能在试样之间实现相对滑动，并且

结论

本研究系统地研究了高温氩气气氛中钼合金燃料包壳的微动磨损行为和损伤机制，并建立了相应的钼合金包壳管微动图。主要结论如下：

• (1)
  在恒定法向载荷下，微动磨损状态随位移幅值增大按PSR、MFR和GSR的顺序变化，且MFR的范围随法向载荷增大而逐渐扩大。对于

CRediT作者贡献声明

肖忠：资源、方法学。李明源：撰写——审阅与编辑、监督、方法学。李正阳：资源。蔡震炳：项目管理、概念化。陈宏阳：数据整理。陈凯东：资源、概念化。任全瑶：撰写——初稿、方法学、调查、正式分析

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到国家核反应堆技术重点实验室、中国核动力研究院（SRJJ-0224-0301-01）和中国核动力研究设计院领军人才基金项目（KJCX-2024-LJ-02）的支持。

任全瑶|陈宏阳|陈凯东|李正阳|蔡震炳|肖忠|李明源