论文部分内容阅读
核级锆合金广泛应用在水冷核反应堆中堆芯结构材料,这些结构材料大部分是由热挤压工艺加工而成。但由于锆合金在高温环境中易被氧、氮、氢等污染,在热加工时易粘模具,因此对核级锆合金润滑方式的选择至关重要。本文以某商用粘结固体润滑剂为对象,分析不同温度条件下润滑层的组分和润滑性能变化,同时设计一套实验室专用热挤压模具,来探究润滑层在热挤压中的润滑效果,并结合Deform-3D模拟对挤压件性能进行分析,为此类粘结型固体润滑层应用于核级锆合金热挤压中提供理论指导。本文通过测定润滑剂的组成成分变化,分析不同温度时涂层的润滑性能。结果表明,在200℃-600℃时,润滑层中有固体润滑材料MoS2和石墨组分存在,其中MoS2开始氧化温度为550℃左右。润滑层加热至600℃之后,由于润滑层的逐渐氧化而失效,其摩擦系数也随之升高。在700℃时润滑层已经处于失效状态,润滑层中MoS2及石墨被完全氧化,变为MoO3和钼酸盐。通过高温球盘实验可知,润滑层在400℃和600℃时依旧可以保持优异的减磨抗磨性能,其有效摩擦系数均在0.1以下。当润滑层在600℃保温60分钟后,由于Mo4+氧化生成Mo6+,导致润滑层表面形成凸起、裂纹和气泡,润滑性能大幅下降。结合对润滑层结构、润滑性能探究可知,影响粘结固体润滑层润滑性能的主要因素为试样润滑层在高温大气环境中过久而出现的氧化问题,而非高温强载荷下的润滑层摩擦时的摩擦化学问题。本文以工业用核级锆合金热挤压参数为参考,设计一套正向热挤压模具,通过计算保证模具间的配合、模具强度,确保设计的热挤压模具可以顺利应用在实验室液压机上。对热挤压模具进行Deform-3D数值模拟,初步确定在加热温度为680℃-740℃、挤压速度为3-5mm/s、摩擦系数为0.35时,挤压件的各方面性能较优。随后对涂覆此商用粘结固体润滑层的试样进行了热挤压实验,分析得出,当挤压温度为680℃,保温时间为10-20min,挤压速度为3-5mm/s时,挤压件有较优异的性能,挤出长度和形状较好,其结果与Deform-3D模拟结果一致。