核反应堆CRDM钩爪失效分析及其典型材料的磨损机理研究

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核反应堆控制棒驱动机构(CRDM)是核反应堆反应性控制的重要设备,钩爪组件是CRDM的运动执行组件。钩爪作为CRDM的核心部件,在CRDM运行过程中需要承受驱动杆和控制棒的动态载荷,导致钩爪产生磨损。本研究针对650万步和1000万步提升钩爪热态寿命试验后的样件进行了失效分析,研究钩爪在服役过程中的磨损演变趋势;研究了3种典型CRDM钩爪用钴基合金(钴基合金氧乙炔堆焊:Stellite6-OAW、钴基合金铸件:Stellite6、钴基合金锻件:Stellite6B)在不同冲击动能下的磨损机理及演变趋势。得到了如下的结论:(1)通过对650万步和1000万步热态寿命试验的钩爪样件的失效分析可以发现,上齿面的磨损量均大于下齿面的磨损量,其中上齿的磨损量最大。而从650万步到1000万步的过程中,磨损量增加最多的部分是下齿,说明双齿钩爪存在两个受力面(上下齿的上齿面)的交互磨损的机制,交替承受材料去除,证明了双齿钩爪结构的优越性。(2)提升钩爪齿面主要的磨损机理是冲击磨损引起的塑性变形,反复塑性变形导致了光滑的磨痕表面。机械冲击磨损引起了碳化物表面的高应变导致碳化物破碎,而腐蚀将使碳化物更容易剥落。(3)冲击磨损试验结果表明,随着冲击动能Ei的增加,3种钴基合金的能量吸收率均呈现先下降再上升的趋势,其中Stellite6-OAW合金的能量吸收率最高。但由于材料本身的硬度等因素及合金内碳化物的尺寸、分布等因素影响,Stellite6-OAW合金的磨损反而最轻,Stellite6B合金次之,而Stellite6合金的磨损最为严重。3种材料的磨损情况均呈现出先加剧再减轻的现象,主要是由于随着冲击动能Ei的增加,单次冲击循环内吸收的能量也随着增加,导致用于材料去除的能量相应增加,磨损逐渐加剧。而当冲击动能持续增大时,对磨副材料塑性变形程度也相应加剧,导致平均接触应力变小,磨损程度降低。(4)Stellite6-OAW合金的磨损机理主要是产生塑性变形和材料的堆叠,并伴随着轻微的氧化反应;Stellite6材料的磨损机理主要是产生塑性变形和发生碳化物的碎裂、形成剥层;Stellite6B合金主要的磨损机理是塑性变形和材料的堆叠。其中,综合所有结果来看,Stellite6-OAW合金的耐冲击磨损性能明显优于Stellite6合金和Stellite6B合金。
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