钛合金TA16微动磨损特性研究

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蒸汽发生器是核反应堆的关键设备之一,蒸汽发生器(SG)传热管的损伤失效已经成为电站非计划停堆和能力因子损失的主要因素之一,成为判断反应堆可靠性及其经济因素的重要指标。本文针对蒸汽发生器传热管发生的微动损伤失效问题,选用TA16新型钛合金传热管为研究对象,进行了不同介质环境下的微动磨损试验,并进行了有限元模拟分析。研究结果不仅对揭示TA16钛合金传热管的微动损伤机理,也为核反应堆的关键部件抗微动损伤提供理论依据和工程指导意义。在试验和分析的基础上,本文得到如下主要结论:1)钛合金TA16的微动行为遵循微动图理论,在80-200μm位移条件下,其曲线呈现平行四边形,处于滑移区;2)大气环境下,其摩擦系数呈现出四阶段的特征;水介质环境下,摩擦系数变化相对平缓,磨屑开始脱落的阶段,摩擦系数波动较大;随位移和载荷的增加,其摩擦系数整体呈现出减小趋势;3)磨损过程中有剥层现象,磨屑细小,以钛及其合金的氧化物为主要成分,呈现颗粒状聚集;表面磨屑堆积较多,摩擦氧化严重,有第三体的形成和材料的转移现象;第三体层由塑性变形层和氧化物为主要成分的磨屑复合叠加组成,反映了损伤机制形成的主要特点。粘着磨损、磨粒磨损、磨粒剥落与碾压,以及伴生的摩擦氧化作用和磨屑的聚集与转移是微动磨损过程的主要特征;4)相对于大气环境,水介质环境中随位移的增加,损伤表面磨屑形成到脱落的时间逐渐变短,传热管受损的情况加剧;试验循环次数下,损伤表面出现微裂纹;5)试验前加的法向载荷使传热管发生形变,在损伤初期起了主要作用,加快其损伤行为;6)碰撞过程中,碰撞区域的材料发生塑性流动,致使管壁局部减薄,成为后期破坏的隐患;应力最大区域交替出现在传热管的内外管壁上,易导致传热管局部疲劳失效;传热管弯头区域有应力集中现象,成为弯头区域损伤的隐患;碰撞是传热管损伤失效的主要因素。
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