燃料包壳是压水堆核电站反映堆的主题部件，其重要作用是包容核燃料及其裂变产品，是反映堆中最沉要的一路物理安全樊篱，其不变性、靠得住性是确保堆芯安全、预防裂变产品泄漏的沉要前提[1]。在核反映堆运行时，包壳在高温高压水形成的轴向和横向水流作用下，会产生不规定振动[2]，即包壳流致振动(Flow-induced vibration,FIV)景象。随着服役功夫的增长,包壳在中子辐照的影响下会产生蠕变、肿胀、氢脆等机能退化行为[3]，进而在FIV作用下与格架间产生轴向和横向的相对活动[4-6],即冲击-切向耦合磨损[7]。冲切磨损拥有原位接触、荫蔽性强和复杂性高档特点，一旦产生就会显著降低机械结构的服役寿命，造成包壳管分裂、失效，在严沉情况下会引发核反映堆变乱，造成沉大的经济损失[8-11]。由此可见，深刻揭示燃料包壳在分歧工况下的冲切磨损行为，以及钻研若何有效提高其抗冲切磨损机能，对于提高核安全机能拥有沉要的理论意思和工程价值。

表表改性技术是一种可能有效改善资料表表质量，提高其抗磨损、侵蚀及委顿机能的技术伎俩[12]。为了有效改善燃料包壳的力学机能、提高其服役寿命，很多表表改性技术(诸如激光强化[13]、喷丸强化[14]及涂层[15-18]等)已被宽泛钻研。目前的钻研大多在堆表发展，思考到辐照对涂层缺点、晶粒成长的影响，涂层与基体的结合性是否会受到影响，进而导致其服役机能衰退仍有待进一步索求[19-20]。此表，受到环境的影响，锆合金包壳在服役过程中，其表表会产生轻微氧化，在表层形成以ZrO₂为主的氧化层，拥有提高其耐磨机能的作用。Qu等[5]钻研了预氧化处置前后锆合金包壳管的微动磨损行为，了局批注，经过预氧化处置后，仅厚度4~8μm的氧化层却可能显著降低包壳管的体积磨损系数。Lee等[21]利用高压釜造备了经过分歧功夫预氧化的包壳管试样，并进行了磨损机能测试，了局显示，包壳管上天生的ZrO₂层拥有足够的延展性来适应塑性变形，从而提高其耐磨机能。笔者前期的工作钻研了预氧化包壳在仿照压水堆服役环境下的微动磨损行为，发现通过预氧化处置可能显著提高包壳表表硬度，显著提高其在高温高压水环境下的抗微动磨损机能[22]。相较于在锆合金表表造备金属或陶瓷基涂层，选取预氧化技术造备的氧化层拥有结构致密，与基体结合性好，造备过程绿色无传染，且不会在一回路中引入其他杂质蹬着点。目前，针对锆合金预氧化处置技术的钻研大多基于滑动磨损或微动磨损前提下发展，对于燃料包壳仿照服役前提下的冲击-切向磨损行为钻研鲜有报路，对燃料包壳的冲切磨损行为及接触界面上的力学响应个性的影响尚不明确。

基于此，本文选用国产新型Zr-Sn-Nb燃料包壳，对其进行预氧化处置，在特造的冲击-切向微动磨损试验机上发展仿照运行工况的冲切磨损试验，索求分歧冲击能量下燃料包壳预氧化处置前后的磨损法规，揭示预氧化处置对其抗冲切磨损机能的提升机造。钻研了局可为锆合金包壳延寿处置提供新的钻研思路。

1、试验

1.1试样筹备

试验资料为国产Zr-Sn-Nb合金包壳，对磨副为长度50mm、宽度12mm、厚度0.425mm的Zr-4格架，均由中国核动力钻研设计院提供。包壳管试样的表径、壁厚别离为9.5、0.57mm，其化学成分(均以质量分数计):Nb1.07%、Sn0.95%、Fe0.3%，Zr余量。使用线切割设备将包壳管加工为长度30mm的样品，将格架从中央切割，试样造备实现后利用抛光机对其进行打磨和抛光。利用特造高温高压釜造备预氧化包壳，氧化温度为400℃，保温功夫为4h，升温速度为20℃/min，冷却方式为空气冷却。在试验前，利用JSM-IT500扫描电镜测试试样的表表描摹，选取中图仪器Super ViewW1三维描摹丈量仪丈量试样的表表粗糙度，测试了局如下；灞肀碛邢灾庸ち粝碌慕仙畹墓挡，表表存在较多大幼不一的凹坑。经过预氧化处置后，试样表表的凹坑、沟槽显著削减，表表较为平坦，其整体粗糙度显著低于基材，S=0.306μm。

预氧化试样截面SEM描摹及EDS成分如下。预氧化包壳表表呈深玄色，整体较光滑，EDS测试了局显示其氧化层厚度约为4μm。选取KELITI000ZB型显微硬度计测试了2种表表状态下包壳及对磨副的表表硬度，测试力为1.961N，维持功夫为15s，丈量3次，取其均匀值。测试了局如图3a所示，预氧化处置前后包壳的表表硬度别离为(191.0±2.6)HV0.2、(233.5±1.9)HV0.2，预氧化后样品硬度相较于基体提高了约22.3%，格架的硬度为(206.9±5.3)HV0.2。XRD测试了局显示，经过预氧化处置后包壳表表天生了ZrO₂、Nb₂O₅，如图3b所示。

1.2试验步骤及表征测试

选取格架冲击包壳管的大局，仿照服役状态下格架与包壳管之间的冲击-切向磨损，钻研分歧冲击速度下预氧化处置对其冲击-切向磨损机能的影响。本次试验选取线接触大局，试验环境为常温、常压大气环境。在试验过程中，包壳管由切向直线电机驱动以速度vs做匀速直线活动，定位格架由法向直线电机提供动能，以恒定初始速度v撞击包壳。通过节造法式调整2台电机的运行频率，以保障每次活动撞击点在统一地位。所有试验均选取可控能量的特造冲击-切向磨损设备[7,23]实现，冲-切磨损设备的活动示意图贾合金包壳与夹持格架的接触示意图如下。

在本次钻研中，维持包壳试样的切向速度  v s  恒定为90mm/s，将格架的冲击速度v1设置为60、90、120mm/s，冲击块质量为500g，对应的冲击能量  E I  别离为0.90、2.03、3.60mJ。每组试验循环次数为104，每组试验至少进行3次沉复试验，取其均匀值为其磨损数据。在试验实现后，选取光学显微镜(OM，OLYMPUS-BX60M)观察试样表表磨痕描摹，选取扫描电镜(SEM)观察磨痕微观描摹。利用白光过问仪丈量磨痕的三维描摹、磨痕概括，使用中图光学软件丈量磨损面积和磨损体积。

2、了局与会商

2.1冲击能量和预氧化处置对包壳接触界面能量响应的影响

分歧表表状态的包壳在分歧冲击能量下的冲击速度响应、冲击能量变动曲线如图5所示。如图5a所示，预氧化包壳与基体的冲击回弹速度随着冲击能量的增大而增长，在统一速度水平下(E1别离为0.90、2.03、3.60mJ时)，经预氧化处置的包壳的反弹速度均大于基体。在E1=2.03mJ时，预氧化包壳的最大反弹速度显著高于基体，增长了24.6%。2种包壳在分歧冲击能量下冲击能量随功夫的变动曲线如图5b所示。了局显示，在分歧的冲击能量下，预氧化包壳的反弹能量均大于基体，即能量损失低于基体试样。这一了局批注，经过预氧化处置后，包壳在产生冲切磨损时，可能有效卸去反弹冲击动能，降低磨损水平。

冲切磨损过程是一个能量耗散过程，陪伴着能量的转移和损失。冲-切过程受到诸多成分的影响，最终导致冲击块的动能在每个循环周次内均有肯定损耗，其中冲击试样与切向活动试样间的摩擦损耗是导致其动能损失的重要原因[7,24]。冲切过程的能量耗散重要分为反弹能量和吸收能量(摩擦损耗能)，预氧化处置前后包壳在分歧冲击能量下的反弹能量(Remaining energy)、吸收能量(Absorbed energy)及能量吸收率(Energyabsorptionrate，即吸收能量与冲击能量的比值)如图6所示；搴驮ぱ趸堑姆吹芰亢臀漳芰烤孀懦寤髂芰康脑龃蠖龃。当E1由0.90mJ增至3.60mJ时，基体的吸收能量别离为0.307、0.894、1.410mJ，而预氧化包壳吸收能量别离为0.265、0.891、1.356mJ，预氧化包壳吸收的能量均低于基体。当冲击能量由0.90mJ增至3.60mJ时，预氧化前后包壳的能量吸收率均出现先增大后减幼的趋向。其中，基体的能量吸收率别离为34.1%、44%、39.1%，而预氧化包壳的能量吸收率别离为29.5%、43.9%、37.7%。当冲击能量为2.03mJ时，基体和预氧化包壳的能量吸收率都达到了峰值，批注在切向速杜纂冲击速度一样时，摩擦损耗最为严沉。在统一工况下，经过预氧化处置包壳的能量吸收率低于基体，批注预氧化处置可能有效降低其摩擦损耗能，削减磨损危险。

在冲-切磨损过程中，试样受到法向冲击力和切向摩擦力的共同作用。冲击力是相互碰撞时接触界面上的力学响应，其特点是接触功夫短，短期内达到肯定峰值。预氧化处置前后包壳在冲击-切向磨损过程中的冲击力随功夫的响应曲线如图7所示。当E1由0.90mJ增至3.60mJ时，基体的最大冲击力由34.22N增至72.88N(图7a)，而预氧化包壳的最大冲击力由35.19N增至80.02N(图7b)。在冲击能量为0.90、2.03、3.60mJ时，预氧化试样的最大冲击力相较于基体试样，别离增长了2.8%、7.8%、9.8%。了局显示，在一样能量输入情况下，预氧化包壳的冲击力峰值均高于基体。结合前面的分析可知，这是由于预氧化处置后包壳的硬度显著提升，弹性模量扭转，产生碰撞后吸收能量较少，大部门能量被反弹，因而其冲击力相较于基体更高。

在冲切过程中，切向摩擦力是在接触面上产生的故障摩擦副相对活动或相对活动趋向的力，接触功夫短，且在肯定的领域内持续颠簸。预氧化处置前后包壳在冲击-切向磨损过程中的摩擦力随功夫的响应曲线如图8所示。当E1由0.90mJ增至3.60mJ时，基体受到的摩擦力由19.55N增至53.9N，而预氧化包壳受到的摩擦力由 12.35 N增至 44.90 N，预氧化包壳受到的摩擦力相较于基体别离削减了 36.8%、49.9%、16.7%。了局批注，在一样能量输入的情况下，基体受到的磨损始终比预氧化包壳越发剧烈。这是由于经预氧化处置后，包壳表表天生了致密的氧化层，表表粗糙度降低，从而减幼了包壳与格架之间的摩擦力，有效降低其受到的冲切磨损危险。

2.2冲击能量和预氧化处置对包壳摩擦因数的影响

在预氧化处置前后，包壳在分歧冲击能量下的摩擦因数(均匀切向摩擦力Fsm/均匀冲击力Fim)随循环次数的变动曲线如图9所示。随着冲击能量的增长，预氧化处置前后包壳的摩擦因数均随之升高。在分歧冲击能量下，试样的摩擦因数均出现先增大后降低的趋向，最终当接触界面上磨屑的产生和去除达到动态平衡阶段时，磨损进入不变阶段，摩擦因数在肯定领域内颠簸。当  E I  由0.90mJ增至3.60mJ时，基体试样不变阶段的摩擦因数从0.31增至0.59左右，而预氧化包壳不变阶段的摩擦因数从0.19上升到0.39。当  E I  =  3.60mJ 时，基体和预氧化包壳的摩擦因数达到最大值。了局显示，在分歧冲击能量下，基体的摩擦因数均高于预氧化包壳。结合前文分析及冲切过程摩擦因数推算公式可知,这是由于基体受到的切向摩擦力远高于预氧化包壳，且其所受的冲击力低于预氧化包壳。

2.3冲击能量和预氧化处置对包壳磨痕概括和磨损体积的影响

在预氧化处置前后，包壳磨痕的光镜及三维描摹如图10所示；迥ズ鄢氏咝，部门出现玄色磨痕，重要集中在磨痕的两端及靠近端点的区域，三维描摹显示该区域出现了较深的凹坑。这是由于对磨副为格架钢凸，在冲击过程中钢凸两端与包壳接触部位出现应力集中。随着冲击能量的增长，玄色磨痕区域逐步增长，危险加剧，同时出现了摩擦影响区域。这是由于冲击能量的增长扭转了格架与包壳管的接触状态，增大了磨损接触面积。经预氧化处置后包壳的冲切磨损情况较为轻微，在E1=0.90mJ时其磨损水平最低;在E1=2.03mJ时出现了2处较为显著的磨痕;在E1=3.60mJ时出现了3处玄色磨痕。批注磨损水平随着冲击能量的增长而增长。

沿包壳径向提取了预氧化前后包壳的磨痕概括，测试了局如图11所示。由于包壳在冲切过程中受到切向摩擦力的影响，在提取的基体的磨痕概括中能显著观察到塑性变形或磨屑堆积景象，如图11a所示。随着冲击能量的增长，最大磨损深度出现先增大后减幼的趋向。当E1=2.03mJ时，达到最大磨损深度，约为6.28μm。这可能是由于在此工况下拥有最高的能量吸收率，因而其部门危险水平最为严沉。如图11b所示，预氧化包壳的磨损深度随着冲击能量的增长，出现与基体一样的变动趋向。在一样的冲击能量下，其磨损深度均幼于基体，磨痕中心区域磨损深度约为5.18μm,磨痕边缘区域磨损深度约为2.47μm。

此表,统计了预氧化处置前后包壳在分歧冲击能量下的磨损面积、体积，了局如图12所示。当  E i  由0.90mJ增至3.60mJ时，基体的磨损面积由1.73×10⁵μm^2增至  9.12 ×  10⁵μm 2 ,而预氧化试样的磨损面积由0.66×10⁵μm^2增至3.44×10⁵μm^2。这是由于冲击能量的增长，导致包壳管与格架间的现实接触大局由线接触大局逐步转变为近似面接触大局，进而造成磨损面积增长。此表，当  E I  由 0.90 mJ增至 3.60 mJ时，基体的磨损体积由 3.27×10⁵μm^3增至8.45×10⁵ μm^3，而预氧化包壳的磨损体积由  0.45 ×  10 5μm 3 增至8.01×10⁵ μm^3。测试了局显示，基体的磨损体积、磨损面积均显著高于预氧化包壳，批注预氧化处置可能有效提高锆合金包壳抵抗冲-切磨损的能力。

3、分析与会商

为了深刻分析预氧化处置前后包壳在分歧冲击能量下的冲切磨损机造变动，对其磨痕进行SEM表征测试，了局如图13所示；逶诔迩心ニ鸸讨，由于短缺氧化层的；，且受到切向摩擦力的影响，磨屑通常堆积于沿滑动方向的另一侧，且陪伴着磨屑堆积、资料剥落及犁沟景象，如图13a所示。这是由于冲切磨损是一个复合磨损过程，冲击作用会导致接触区域出现部门应力集中景象，资料在交变应力的作用下起头萌生微裂纹并扩大，紧接着产生委顿剥落，并形成磨屑，随后磨屑产生氧化，形成硬质颗粒，并在切向摩擦力的作用下产生犁削作用，最终导致犁沟的形成。

当E1=0.90mJ时，基体的磨损区域存在显著的块状磨屑堆积及犁沟，批注此时的磨损机造重要为磨粒磨损和轻微委顿磨损。随着冲击能量的增长，在  E I  =  2.03mJ 时，磨痕表表磨屑堆积景象减轻、犁沟增多，同时出现大面积剥落分层景象，批注此时的磨损机造以磨粒磨损和分层为主。当冲击能量进一步增至3.60mJ时，磨痕表表形成了一层玄色氧化层，磨痕表表的磨屑被压紧、压实，资料的磨痕危险特点重要阐发为剥层和磨屑堆积景象，同时还伴有肯定水平的犁削危险，此时磨损机造重要以分层为主。

图13b为预氧化包壳磨痕描摹，其特点点对应的EDS成分见表1。如图13b所示，预氧化包壳的磨损水平较轻，磨损危险特点以犁沟和磨屑堆积景象为主。由于存在预氧化层，因而随着冲击能量的增长，包壳表表的危险特点变动不大。结合磨痕概括(图11b)，及磨痕中心、边缘区域的磨损深度(别离为5.18、2.47μm)测试与分析了局，选择对磨痕边缘区域的EDS成分进行沉点测试。了局显示，未磨损区域的O含量(点3)显著高于磨痕边缘区域(点1、2、4、5)，其对应的磨损深度约为2.47μm，此时涂层未齐全磨穿。批注磨痕表表的锆合金重要来自对磨副，产生了黏着磨损，此时的磨损机造重要为轻微磨粒磨损、黏着磨损及轻微委顿磨损。显然，磨损机造的变动与包壳表表状态亲昵有关，还需结合已获取的预氧化处置前后包壳的粗糙度(图1)、表表硬度(图3),以及冲切磨损过程中的能量吸收率(图6)、切向摩擦因数(图9)和磨损体积(图12)等数据,深刻探索其表表状态与磨损机造变动的内涵联系。综合分析了局批注，通过预氧化处置提高包壳抗冲切磨损的作用机造在于其有效提高了包壳的表表硬度，同时降低了表表粗糙度，二者别离降低了冲切过程中的能量吸收率和切向摩擦因数，有效削减了包壳在冲切磨损过程中的危险，其重要磨损机造由磨粒磨损和分层转变为轻微磨粒磨损和委顿磨损，有效地提高了其抗冲切磨损机能。

表1 EDS点扫了局(图13b)

4、结论

1)通过预氧化处置后，在锆合金包壳管表层形成了3~4μm的氧化层，其光滑平坦、结构致密且结合性优良，重要成分为ZrO2、Nb2O5，有效改善了包壳的表表质量，其硬度提高了22.3%，表表粗糙度降低了33.2%。

2)随着冲击能量的增长，预氧化处置前后包壳的冲击力、摩擦力、摩擦因数、吸收能量及磨损体积均随之增大，而能量吸收率出现先增大后减幼的趋向。通过预氧化处置可能有效提高包壳回弹速度，削减摩擦力，降低摩擦因数和能量吸收率，最终降低其磨损体积。

3)随着冲击能量的增长，基体的磨损机造由磨粒磨损和轻微委顿磨损转变为以分层为主,通过预氧化处置技术有效提高了包壳的表表硬度，降低了其表表粗糙度，从而别离降低了冲切过程中的能量吸收率和切向摩擦因数，使其磨损机造转变为轻微磨粒磨损、黏着磨损及轻微委顿磨损，有效地提高了其抗冲切磨损机能。

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（注，原文标题：预氧化处置对锆合金包壳冲击-切向磨损行为的影响）