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

包壳的微动磨损是世界压水堆燃料失效的主要原因,因此理解核反应堆中燃料包壳微动磨损行为对核反应堆安全运行至关重要. 服役于核裂变堆一回路的锆合金包壳,不但承受着堆内高温高压冷却剂的冲刷,还面临腐蚀、强中子辐照的苛刻环境. 本文作者从机械因素、水工条件、辐照和腐蚀几个方面总结了反应堆中服役环境对包壳微动摩擦行为的影响,并阐述了事故容错燃料(ATF)包壳涂层的研究进展及其对格-棒间微动磨损的影响. 最后对核反应堆包壳的微动磨损、腐蚀磨损未来的研究方向进行了展望.      

矿用钢丝在腐蚀介质环境下的微动行为研究

钢丝绳中钢丝的锈蚀、磨损或断裂是造成矿井用钢丝绳失效的主要形式。以6×19点接触式提升钢丝绳为研究对象,在自制的微动摩擦磨损试验机上开展钢丝在腐蚀介质环境下的微动磨损试验研究。考察钢丝在模拟矿井淋水腐蚀介质中的微动运行特性,通过磨痕测量微动磨损量,采用光学显微镜、扫描电镜和能谱仪对钢丝的微动损伤机理进行分析。结果表明：腐蚀介质影响钢丝的微动运行区域,在干摩擦和中性腐蚀介质下运行于混合区,而在酸性和碱性腐蚀介质下运行于滑移区;腐蚀介质明显降低钢丝的摩擦系数,其中酸性介质下的摩擦系数最小,约为0.36;腐蚀与磨损的交互作用显著加速了材料的流失,酸性腐蚀介质下钢丝的磨痕深度最大;钢丝在干摩擦条件下的损伤机制以材料的塑性变形、粘附涂抹和摩擦氧化为主,而在腐蚀介质环境下的损伤机制转变为磨粒磨损和化学腐蚀。     

极化作用对6082铝合金在3.5%NaCl溶液中微动腐蚀行为的影响

采用高精度多功能微动磨损试验机(MFC-01),结合电化学和摩擦性能测试以及扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)分析等,研究了极化作用对6082铝合金在3.5%NaCl溶液中微动腐蚀行为的影响. 结果表明:材料在阳极电位极化下,表面更易发生滑动,滑移区扩展,混合区和部分滑移区范围收窄;微动摩擦系数则随极化电位正移逐渐减小、在自腐蚀电位达到最小值、之后回升,阴极电位下摩擦系数大于阳极电位下的数值. 在阴极极化和自腐蚀电位极化下,微动加速了磨损区域的腐蚀,使得腐蚀电流密度增加;而在阳极极化下,微动减弱了磨损区域的腐蚀、腐蚀电流减少. 材料的整体损失速率随着外加电位的正移而增大. 在阴极极化和自腐蚀电位极化下,材料的磨损机制主要表现为剥层机制和磨粒磨损,磨损区域腐蚀产物主要为Al₂O₃;在阳极极化下,以腐蚀磨损和磨粒磨损为主要特征,磨损区域腐蚀产物主要为Al₂O₃、Al(OH)₃和AlCl₃.      

人工髋、膝关节磨损测试标准及模拟试验机研究进展

髋膝关节植入物假体在体内发生摩擦磨损进而造成骨溶解、无菌松动是导致其失效的重要原因之一. 人工髋膝关节磨损试验是对假体材料、设计和加工进行评价的重要形式. 天然髋膝关节承受的运动和载荷十分复杂,研究天然关节在各种行为下的受力和运动范围,并利用专门的髋膝关节模拟器来进行试验和评价,有助于人工关节的设计和耐磨关节材料的发展. 本文中整理了天然髋膝关节的运动范围及载荷,对比了人工髋膝关节假体磨损的国内外标准,总结了主流髋膝关节模拟试验机的结构及主要技术参数,为我国关节行业的研究者提供参考.      

载荷对304不锈钢微动磨损性能的影响

采用SRV-IV微动摩擦磨损试验机,研究了在干摩擦和水介质润滑条件下,载荷对304不锈钢微动磨损行为的影响,用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱(EDS)对磨损表面形貌和成分进行分析.结果显示:载荷和介质对微动摩擦行为和磨损机理有显著影响.在干摩擦下,载荷明显改变了微动运行区域,当载荷增大到50 N时微动运行区域由滑移区变为部分滑移区.摩擦系数和磨痕深度随着载荷的增加依次减小.磨损机理由黏着、磨粒和氧化磨损转变为局部疲劳和轻微氧化.同干摩擦相比,由于水介质的润滑和冷却作用,表面黏着被抑制,摩擦系数显著减小,两接触面间易滑移,部分滑移区消失.随载荷的增大磨痕深度增大,因腐蚀与磨损的交互作用,在海水中的磨痕深度比去离子水中略大.磨损机理主要为磨粒磨损和轻微的腐蚀磨损.     

扭动微动条件下含水气氛对氧化行为的影响

对7075铝合金/GCr15摩擦副在不同湿度条件下扭动微动的损伤行为、氧化行为进行了研究.建立了7075铝合金在不同湿度条件下的扭动微动运行工况微动图.采用SEM、XPS对不同湿度环境下的磨损机制、氧化行为及其影响因素进行了分析.结果表明:湿度对7075的扭动微动运行存在显著影响,随着湿度的增加,摩擦扭矩明显降低;部分滑移区的磨损发生在接触边缘,损伤轻微;混合区和滑移区发生强烈的塑性变形,损伤严重,其主要磨损机制是磨粒磨损和剥层;潮湿空气增加了界面滑移,反应生成的氧化磨屑起到了润滑剂的作用,减轻了磨损.     

载荷及位移幅值对DLC薄膜微动磨损行为的影响

为了提高TC4钛合金表面的抗微动磨损性能,在本文中采用非平衡磁控溅技术(Unbalanced Magnetron Sputtering)在TC4钛合金表面沉积了类金刚石(DLC)薄膜. 采用球/平面接触形式研究了DLC薄膜的微动摩擦磨损行为. 在不同法向载荷和位移幅值下,结合微动运行工况图研究了DLC薄膜滑移状态和损伤机理. 利用原子力显微镜、纳米压痕仪、激光拉曼光谱仪、激光共聚焦显微镜、场发射扫描电子显微镜和SRV-V微动摩擦磨损试验机等设备对DLC薄膜进行性能的表征和微动摩擦磨损性能测试. 通过微动图,摩擦耗散能,磨痕形貌、化学成分分析揭示其损伤机理. 结果表明:载荷和位移幅值对DLC薄膜微动摩擦磨损行为和损伤机理有显著影响. 当位移幅值为25 μm 时,微动运行于混合滑移(mixed slip regime,MSR)情形下,当位移幅值为100 μm时,微动运行于完全滑移(gross slip regime,GSR)情形下. 小位移幅值时,DLC薄膜磨损机理是磨粒磨损为主;大位移幅值时,DLC薄膜磨损机理是黏着磨损为主. 干摩擦条件下,DLC薄膜有良好的抗微动磨损性能,关键就在于其优异力学性能和自润滑特性.      

热带海洋盐雾气氛自润滑耐磨防腐涂层技术研究新进展

随着“南海海洋纵深开发”和“深海深地深空”国家战略持续推进，热带海洋气氛下的磨损与腐蚀耦合损伤成为海洋装备的关键技术瓶颈.本文中通过对比我国四大海域(渤海、黄海、东海及南海)海洋多场作用因素及装备苛刻服役环境，重点指出了热带海洋(南海海域)工程装备运动传动系统/部件所面临的“摩擦-磨损-腐蚀”共性技术难题；讨论分析模拟海洋腐蚀介质与实海环境下DLC薄膜、陶瓷涂层、轻合金微弧氧化涂层、MoS₂基粘结涂层(软质)和功能一体化高分子合金(软质)等自润滑涂层的摩擦磨损行为及其损伤失效特点；从界面协同与功能匹配角度提出了热带海洋动态自润滑耐磨防腐的科学问题及研究新思路，寄望提升我国在热带海洋高技术装备关键传动部件/系统自润滑防腐方面的技术水平.     

316L不锈钢在Saline溶液中的微动磨蚀行为研究

采用球－平面接触微动磨损试验设备考察了轧制固溶３１６Ｌ不锈钢在Ｓａｌｉｎｅ溶液中的微动磨蚀行为。研究表明,３１６Ｌ不锈钢的微动过程存在显著的阶段性;微动初期为磨合期,第一稳定阶段摩擦副处于高摩擦应力状态,伴随着不锈钢表面缝隙腐蚀与弹塑性损伤的积累;第二过渡阶段和第二稳定阶段不锈钢表面呈微断裂剥层特征,腐蚀引起的微断裂不可忽视,不锈钢微动损伤表面形貌同微动损伤速率之间存在对应关系。     

载荷及位移幅值对DLC薄膜微动磨损行为

为了提高TC4钛合金表面的抗微动磨损性能,在本文中采用非平衡磁控溅技术(Unbalanced Magnetron Sputtering)在TC4钛合金表面沉积了类金刚石(DLC)薄膜.采用球/平面接触形式研究了DLC薄膜的微动摩擦磨损行为.在不同法向载荷和位移幅值下,结合微动运行工况图研究了DLC薄膜滑移状态和损伤机理.利用原子力显微镜、纳米压痕仪、激光拉曼光谱仪、激光共聚焦显微镜、场发射扫描电子显微镜和SRV-V微动摩擦磨损试验机等设备对DLC薄膜进行性能的表征和微动摩擦磨损性能测试.通过微动图,摩擦耗散能,磨痕形貌、化学成分分析揭示其损伤机理.结果表明:载荷和位移幅值对DLC薄膜微动摩擦磨损行为和损伤机理有显著影响.当位移幅值为25μm时,微动运行于混合滑移(mixed slip regime,MSR)情形下,当位移幅值为100μm时,微动运行于完全滑移(gross slip regime,GSR)情形下.小位移幅值时,DLC薄膜磨损机理是磨粒磨损为主;大位移幅值时,DLC薄膜磨损机理是黏着磨损为主.干摩擦条件下,DLC薄膜有良好的抗微动磨损性能,关键就在于其优异力学性能和自润滑特性.     

碳基和氮化物基涂层的摩擦-腐蚀交互行为的原位研究

海洋装备大量关键金属运动部件同时承受摩擦与腐蚀作用,其表面防护涂层在海水环境下的抗磨擦-腐蚀性能成为考察涂层性能优劣的关键.本文中采用摩擦-腐蚀试验机原位实时监测了DLC、Cr-DLC、Cr N与Ti N四种涂层与氧化铝陶瓷摩擦副在人工海水环境下的开路电位和摩擦系数等腐蚀-磨损特性,并采用动电位扫描法测试了四种涂层在腐蚀和摩擦-腐蚀过程中的电化学行为,综合分析了涂层在海水介质中的磨损-腐蚀交互机制.研究结果表明:非晶结构的碳基涂层在海水介质中具有优异的抗腐蚀和抗摩擦-腐蚀性能,其中金属铬的掺入能够进一步提高DLC涂层的抗摩擦-腐蚀性能;而氮化物基涂层的粗大柱状晶结构显著削弱了其在海水环境中的抗摩擦-腐蚀性能.     

锻造CoCrMo合金关节材料的摩擦腐蚀行为

采用UMT-2多功能摩擦磨损试验机和电化学工作站(CHI614E)考察了锻造Co Cr Mo合金在25%小牛血清溶液条件下的摩擦腐蚀性能,利用扫描电镜观察了摩擦腐蚀的形貌特征,对腐蚀损失量、机械磨损损失量及腐蚀和磨损的协同损失量进行了对比分析.结果表明:锻造Co Cr Mo合金的腐蚀电位(Ecorr)约-820 m V,在0.5~0.75 V区间出现二次钝化.不同载荷条件下,摩擦腐蚀的摩擦系数均大于纯摩擦系数,且随载荷的增加而减小,摩擦腐蚀电流则随载荷的增加而增大.随载荷的增加,机械磨损损失量所占比例增大,腐蚀损失量所占比例降低.摩擦腐蚀的协同损失量占到总损失量的30%以上,且随载荷增加而增大.     

天然牙及几种牙科修复材料的摩擦磨损性能比较研究

在改进的微动摩擦磨损试验台上,模拟人体牙齿摩擦副,考察了天然牙以及牙科用高分子、金属和陶瓷修复材料与GCr15钢对摩的摩擦磨损性能,结果表明：天然牙的摩擦学性能优良;拜尔牙、热固塑料、铜基合金、钛及钛合金是较为理想的牙科修复材料;尤其是钛及钛合金,不但生物相容性优异,而且与天然牙摩擦学性能匹配,是最具有发展前景的牙科修复材料。     

CrMoV合金钢的微动疲劳实验研究

本文利用一种自行设计的微动疲劳实验装置研究CrMoV合金钢的微动疲劳特性。作者研究了接触压力对材料微动疲劳寿命的影响规律,得到了研究条件下CrMoV合金钢的接触压力阈值。当接触压力较小时,微动桥压块与试件表面间有相对滑动,微动疲劳寿命随接触压力的增加快速下降;当接触压力达到或超过阈值62.5MPa时,微动疲劳寿命达到最低值并不再随接触压力的增加而下降。本文给出了CrMoV合金钢在接触压力为225MPa的微动疲劳曲线和零接触压力(纯)疲劳曲线,并给出微动疲劳强度与常规疲劳强度的关系,分析了微动疲劳破坏的微观机理。     

热氧化温度对TC4钛合金在生理盐水中腐蚀磨损性能的影响

本文中考察了在大气环境下经热氧化处理后TC4钛合金在生理盐水中的腐蚀磨损性能,重点研究了热氧化温度(500~900 ℃)对TC4钛合金的表面氧化物薄膜的结构及腐蚀磨损性能的影响. 结果表明:经热氧化处理后TC4钛合金表面的氧化膜的结构主要由三部分组成:TiO₂与α-Al₂O₃混合组成的表层,以TiO₂为主的亚表层以及氧扩散层内层,热氧化温度对氧化膜的物相结构、表面硬度、膜基结合性能和腐蚀磨损性能有显著影响,其中,在700 ℃下热氧化处理获得的氧化层膜基结合性能最好,表面硬度最高,耐腐蚀磨损性能最好.      

微动白层形成的控制因素及其对磨损过程的影响

在径向和复合(切向与径向复合)微动条件下，考察了2091铝锂合金在不同载荷水平和倾斜角度下的微动行为和损伤过程；结合不同阶段微动磨痕剖面分析，研究了微动白层(TTS)的形成条件，并详细分析了在不同微动阶段TTS的演变过程．结果表明，TTS形成的主要控制因素是表面切应力和切向位移，TTS形成过程呈现塑性变形特征；TTS对磨损过程具有重要影响．     

Zr-4合金在Na2SO4溶液中的微动腐蚀磨损特性

采用微动摩擦磨损试验机进行了Zr-4合金／Al2O3摩擦副在空气、纯水和Na2SO4溶液3种介质中的微动腐蚀磨损试验,采用三坐标表面粗糙度仪测量磨损体积损失,利用脉冲电位评价微动磨损所产生的新生面与磨损表面的关系．结果表明：新生面的面积小于磨痕面积而大于实际接触面积;在Na2SO4溶液中摩擦副的磨损量比窄气和纯水中高10倍,但摩擦系数比空气和纯水中小;纯水中Zr-4合金的磨损量等于电位为-2000mV时Na2SO4溶液中的磨损量;在腐蚀环境中磨损量随电位的增高而增大,Zr-4合金的微动腐蚀磨损机制为电化学作用引起的腐蚀磨损．