第52卷  第3期 表面技术
2023年3月SURFACE TECHNOLOGY ·161·
收稿日期：2022–02–28；修订日期：2022–05–26 Received ：2022-02-28；Revised ：2022-05-26
基金项目：四川省科技项目（2022ZYD0029，2022JDJQ0019）；国家自然科学基金（U2067221）
Fund ：Sichuan Science and Technology Project (2022ZYD0029, 2022JDJQ0019); National Natural Science Foundation of China (U2067221) 作者简介：王立闻（1983—），男。
Biography ：WANG Li-wen (1983-), Male. 通讯作者：蔡振兵（1981—），男，博士，研究员，主要研究方向为材料服役行为。
Corresponding author ：CAI Zhen-bing (1981-), Male, Doctor, Researcher, Research focus: material seruice behavior.
引文格式：王立闻, 陈旭东, 王俊, 等. 核用2.25Cr-1Mo 钢在不同环境下的微动磨损性能[J]. 表面技术, 2023, 52(3): 161-171.
WANG Li-wen, CHEN Xu-dong, WANG Jun, et al. Fretting Wear Properties of Nuclear 2.25Cr-1Mo Steel in Different Environments[J]. Surface Technology, 2023, 52(3): 161-171.
核用2.25Cr-1Mo 钢在不同环境下的微动磨损性能
王立闻1
，陈旭东2
，王俊2
，冯铄2
，汤瑞2
，
莫堃1
，官雪梅1
，张强升3
，蔡振兵2
（1.东方电气集团科学技术研究院有限公司，成都 611731；2.西南交通大学 摩擦学研究所，
成都 610031；3.生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082） 摘要：目的 研究核用2.25Cr-1Mo 钢在
不同环境下的微动磨损性能。方法 采用自制的切向微动磨损试验设备，在4种环境（温室RT/大气、RT/水、450 ℃/大气和450 ℃/液态钠）下对2.25Cr-1Mo 钢进行了切向微动磨损试验。试验参数为：法向载荷20 N ，运动频率5 Hz ，位移幅值50 μm ，循环次数105和2×105。试验前，采用维氏硬度仪测量了2.25Cr-1Mo 钢在室温和450 ℃高温下的硬度。试验后，采用Bruker 白光干涉显微镜测量了磨痕的三维形貌并获得了截面轮廓和磨损量。采用扫描电子显微镜（SEM ）、能谱仪（EDS ）分
析磨痕表面和横截面的微观形貌以及摩擦化学反应。结果 2.25Cr-1Mo 钢在不同环境下表现出不同的磨损性能。450 ℃液态钠环境下的磨损量最大，大于450 ℃和室温大气环境下的磨损量；室温水环境下的磨损最小。经过105微动循环后，2.25Cr-1Mo 钢在450 ℃液态钠和室温水环境下表现出最大和最小的磨损率，分别为4.17×10‒6 mm 3/(N·m)和0.32×10‒6 mm 3/(N·m)。结论 2.25Cr-1Mo 钢在室温大气环境下的磨损机制为分层、剥落和氧化磨损；随着温度升高到450 ℃，大气环境下的氧化磨损加剧，伴随着剥层和“锻造流线”；室温水环境下的磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损；450 ℃液态钠环境下的磨损机制为磨粒磨损、黏着磨损和“锻造流线”，同时钠的腐蚀协同作用也加速了材料的失效。
关键词：2.25Cr-1Mo 钢；传热管；液态钠；不同环境；微动磨损；磨损机制 中图分类号：TH117  文献标识码：A    文章编号：1001-3660(2023)03-0161-11 DOI ：10.16490/jki.issn.1001-3660.2023.03.013
Fretting Wear Properties of Nuclear 2.25Cr-1Mo
Steel in Different Environments
WANG Li-wen 1, CHEN Xu-dong 2, WANG Jun 2, FENG Shuo 2, TANG Rui 2, MO Kun 1,
GUAN Xue-mei 1, ZHANG Qiang-sheng 3, CAI Zhen-bing 2
(1. DEC Academy of Science and Technology Co., LTD, Chengdu 611731, China; 2. Tribology Research Institute, Southwest
Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3. Nuclear and Radiation Safety Center, MEE, Beijing 100082, China)
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·162·表面技术 2023年3月
ABSTRACT: In the steam generator of a sodium-cooled fast reactor, the fretting wear occurs between the heat transfer tubes and their anti-vibration bars due to the flow of the liquid sodium. In this study, the fretting wear behaviors of 2.25Cr-1Mo steel (candidate material for heat transfer tubes in sodium-cooled fast reactors) were investigated by using a self-made multi- atmosphere tangential fretting test r
ig. In order to simulate the actual working conditions of the heat transfer tube, a 450 ℃/liquid sodium environment was set. Three comparative environments, room temperature (RT)/air, RT/water, and 450 ℃/air, were used to comprehensively evaluate the wear behaviors of 2.25Cr-1Mo steel in different environments. The test adopts the form of tube/rod orthogonal point contact, and the test parameters are as follows: the normal load is 20 N; the frequency is 5 Hz; the displacement amplitude is 50 μm; the number of cycles is 105 and 2×105. Before the test, the hardness of 2.25Cr-1Mo steel at RT and 450 ℃was tested by a Vickers hardness tester. After the test, the three-dimensional morphology of the wear scar was measured by Bruker white light interference microscope, and the cross-sectional profile and wear volume were obtained.
Scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectrometer (EDS) were used to analyze the micromorphology and tribo-chemical reaction of the wear scar surface and cross-sectional. Results show that the hardness of 2.25Cr-1Mo steel will decrease significantly at 450 ℃, and exhibits different wear properties in different environments. The 2.25Cr-1Mo steel has the worst wear resistance in liquid sodium at 450 ℃, while the best wear resistance in water at RT. The sodium reduces the lubricating oxide layer to metal, accelerating the wear, while the water lubricates and reduces wear. Therefore, the wear rate of 2.25Cr-1Mo steel is the largest in liquid sodium at 450 ℃ (4.17×10‒6 mm3/(N·m)) and the smallest in water at RT (0.32×10‒6 mm3/(N·m)).
The wear resistance of 2.25Cr-1Mo steel in the air is affected by the temperature. In the first 105 cycles (early severe wear stage), the wear rate at RT is smaller, and in the last 105 cycles (late stable wear stage), the wear rate at 450 ℃is even smaller.
In the early stage of wear, the 2.25Cr-1Mo steel at high temperature is more easily deformed and peeled off under the combined action of thermal effect and mechanical force, so a larger wear volume is measured, while in the later stage of wear, the material under high temperature is more likely to produce a thicker "glaze layer" at the wear interface, which has lubricating and anti-friction properties. Finally, the main wear mechanism of 2.25Cr-1Mo steel in the air at RT is delamination, spalling and oxidative wear; as the temperature rises to 450 ℃, the oxidative wear in the air intensifies, accompanied by delamination and "forging flow lines"; and in water at RT is abrasive wear and oxidative wear; and in liquid sodium at 450 ℃ is abrasive wear, adhesive wear and "forging flow lines", and the synergistic effect of sodium corrosion also accelerates the failure of the material.
KEY WORDS: 2.25Cr-1Mo steel; heat transfer tube; liquid sodium; different environments; fretting wear; wear mechanism
钠冷快堆是第四代核反应堆中最具商业价值的堆型，也是中国核能技术实现闭式燃料循环和可持续发展
的重要战略选择[1-2]。其冷却剂钠具有和水、水蒸气和氧气发生剧烈反应的特点[3]。当蒸汽发生器（SG）传热管破裂发生泄漏时，二回路的钠和三回路的水会发生剧烈的钠水反应，生成大量氢气并产生强烈的压力波，严重影响反应堆的正常运行[4]。传热管的损伤机理和钠水反应事件一直是钠冷快堆设计必须考虑的因素[5-6]。由冷却剂和结构之间的流致振动导致传热管与其抗振条之间的微动磨损是SG传热管的主要损伤形式之一[7-9]。因此，研究传热管的微动磨损行为，明确其微动损伤机制，对提高反应堆的安全可靠性很有必要。
目前，国内外对SG传热管微动磨损的研究主要集中于压水堆。从传热管材料[10-11]、试验环境[12]、试验参数[13]、数值计算[14]等方面进行了大量的研究。钠冷快堆的SG长期在高温、热载荷、腐蚀介质环境中服役，其对传热管材料的要求更高。2.25Cr-1Mo 钢具有良好的高温强度、抗蠕变性能及抗裂纹敏感性，是钠冷快堆SG传热管的主要候选材料[15]。2.25Cr-1Mo钢的组织[16-17]、焊接性能[18]、腐蚀性能[19]以及抗蒸汽氧化性能[20-21]已经得到了广泛的研究。但是，关于2.25Cr-1Mo钢微动磨损性能的研究相对较少。Pattnaik等[22]研究了2.25Cr-1Mo钢的冲蚀磨损性能，结果表明，冲击速度的影响最大。Yu等[23]研究了水温对2.25Cr-1Mo钢切向磨损性能的影响，结果表明，随着水温的增加，磨损量逐渐增加。笔者之前的工作研究了温度对2.25Cr-1Mo钢的切向和冲击磨损性能的影响，发现高温下磨粒磨损、氧化磨损和塑性变形是主要的磨损机制[24-25]。综上所述，目前关于传热管微动磨损的研究主要集中于压水堆的蒸汽发生器，而对钠冷快堆SG传热管的研究较少。现有的报告只是在一种环境下进行研究，并没有对比不同环境下的磨损性能，也没有在液态钠环境下研究2.25Cr-1Mo钢的磨损性能。
本文以2.25Cr-1Mo钢和Gr5C12钢作为研究对象，开展了4种环境（RT/大气、RT/水、450 ℃/大气和450 ℃/液态钠）下2.25Cr-1Mo钢的切向微动磨损行为研究，探讨了2.25Cr-1Mo钢在不同环境下的磨损机理。
第52卷第3期王立闻，等：核用2.25Cr-1Mo钢在不同环境下的微动磨损性能·163·
1 试验
试验材料为2.25Cr-1Mo钢（外径为16 mm，内径为11 mm），其对磨副为Gr5C12钢，均由东方电气集团科学技术研究院有限公司提供。摩擦副主要的化学成分见表1。通过线切割设备将2.25Cr-1Mo钢管加工成长度为55 mm的试样，将Gr5C12钢加工成直径为9.5 mm、长度为20 mm的模拟柱面，两者正交接触，如图1所示。通过抛光机对加工好的样品进行打磨抛光以获得更好的表面（试样及其摩擦副表面粗糙度约为0.4 μm）。试验前，用无水乙醇对样品进行超声清洗，以除去样品表面的杂质。清洗后的样品通过维氏硬度仪（施加载荷3 000 g，加载15 s）测试其硬度，如图2所示。2.25Cr-1Mo钢在室温下的硬度为183.5HV，在450 ℃高温环境下的硬度为154.1HV，说明2.25Cr-1Mo钢的硬度在高温环境下会显著降低。
试验设备为自主研制的多气氛微动磨损试验机，其原理如图1所示。该设备可以模拟换热器传热管的实际工况，还可以实现不同介质（大气、水、液态金属）、不同温度（RT至450 ℃）、不同载荷（20、3
0、40 N）、频率（5、10 Hz）以及位移幅值（10~100 μm）下的切向微动磨损试验。设备详细的介绍可以参考笔者之前的工作[26]。本文设置了4种环境下的试验，分别为450 ℃液态钠环境（模拟真实工况）、450 ℃大气、室温大气和室温水环境（3种对比工况），以研究2.25Cr-1Mo钢在不同环境下的微动磨损性能。具体的试验参数为：法向载荷20 N，运动频率5 Hz，位移幅值50 μm，循环次数105、2×105[27-28]。每组试验重复3次，取平均值，以标准差为误差棒。
试验所用的商品级钠（纯度>99.7%）由山东默锐科技有限公司提供，它的杂质如表2所示。每次试验使用新鲜钠。试验前后对设备进行清洗以去除残留钠。试验过程中，在钠罐里保持0.1 Pa的氩气，避免液态钠与空气接触。详细的试验步骤可以参考笔者之前的工作[26]。试验后，采用Bruker白光干涉显微镜对磨痕的三维形貌进行表征，并结合Vision64软件获取磨痕的截面轮廓和磨损量（3次试验的平均值，误
表1 摩擦副的化学成分
Tab.1 Nominal compositions of tribo-pairs
wt.%
Element
Materials
C Mn P S Si Cr Mo Fe
2.25Cr-1Mo 0.05-0.15 0.30-0.60 ≤0.025 ≤0.025 ≤0.50    1.90-2.60 0.87-1.13 Bal.
Gr5C12 ≤0.15 0.30-0.60 ≤0.035 ≤0.035 ≤0.50    4.00-6.00 0.45-0.65 Bal.
图1  微动磨损试验设备示意图
Fig.1 Schematic diagram of the fretting wear test rig
·164·表面技术 2023年3月
图2  2.25Cr-1Mo钢的硬度
Fig.2 Hardness of 2.25Cr-1Mo steel
reactor软件
表2 测试中使用的商业级钠的成分
Tab.2 Composition of commercial-grade
sodium used in the test
10‒4 wt.% O C Fe Cl K Ca Pb <100 <10 <10 <50 <400 <400<50
差为3次测量的标准差）。采用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）分析磨痕表面和横截面的
微观形貌以及摩擦化学反应，揭示2.25Cr-1Mo钢在
不同环境下的磨损机理。
2 结果与分析
2.1 不同环境下的磨损量
图3a显示了2.25Cr-1Mo钢在不同环境下经过105次切向微动磨损后磨痕的三维形貌，图3a白箭
头标记线对应的磨痕截面轮廓如图3b所示。在室温中，水环境下的磨痕表面比大气环境下的磨痕更光滑。
因为水的流动性使磨损过程产生的磨屑从摩擦界面排除，如图3a所示。大气环境下，更多的磨屑堆积在摩擦界面上，形成较大锯齿状的截面轮廓，如图3b所示。随着温度升高至450 ℃，大气环境下的磨痕边缘发现较高的凸起，如图3a所示。一方面是因为2.25Cr-1Mo钢在高温下的硬度更低，材料在切向力的反复作用下向磨痕边缘流动；另一方面，产生的磨屑在高温下也更容易黏结，从而堆积在磨痕边缘。其截面轮廓也显示出高于参考线的“凸峰”，如图3b 所示。在450 ℃液态钠环境中，磨痕的中心也发现较高的凸起，如图3a所示。这是因为2.25Cr-1Mo钢在高温液态钠中具有一定的自焊特性[29-30]，使得摩擦中心产生黏着。450 ℃液态钠环境下的磨痕截面也呈现出“W”型轮廓（图3b），这是部分滑移（黏着磨损）的特征[31]。室温大气、水和450 ℃大气环境下的磨痕截面表现出“U”型轮廓，这是完全滑移（磨粒磨损）的主要特征[23-24]。说明液态钠改变了2.25Cr- 1Mo钢的微动模式。室温水、大气环境以及450 ℃大气、液态钠环境下的最大磨损深度分别为3.8、7.6、23.5、26.3 μm，如图3b所示。这说明温度对2.25Cr- 1Mo钢的磨损深度有较大的影响。
随着循环次数增加到2×105，不同环境下磨痕的三维形貌表现出与105次磨痕相似的特征，如图4a 所示。对应的磨痕截面轮廓如图4b所示，磨痕的宽度和深度逐渐增加。室温水、大气环境下的最大磨损深度分别增加到8.7 μm和11.9 μm，增长率分别为1.29和0.57。室温大气环境下最大磨损深度增长率更小，可能是因为较多的磨屑堆积在磨损界面，而在水环境下，磨屑被排除到磨损界面之外，导致较大的磨损深度增长率。450 ℃大气和液态钠环境下的最大磨损深度分别增加到25.6 μm和32.7 μm，增长率分
别为0.09和0.24。高温下最大磨损深度的增加率都比较小。因为在高温下，一方面材料在经过前105次循环后已经达到一个较大的磨损深度，在后105次循环
图3  不同环境下磨痕的特征（N=105）
Fig.3 Characteristics of wear scars in different environments (N=105): a) 3D micrographs; b) cross-sectional profile
第52卷  第3期
王立闻，等：核用2.25Cr-1Mo 钢在不同环境下的微动磨损性能 ·165·
图4  不同环境下磨痕的特征（N =2×105）
Fig.4 Characteristics of wear scars in different environments (N =2×105): a) 3D micrographs; b) cross-sectional profile
中材料可以用塑性变形来抵抗磨损；另一方面有更多的磨屑黏结在摩擦界面而不是被排除[24-25]，所以在450 ℃大气和液态钠环境下的最大磨损深度增加都较小。
磨痕凹坑是材料去除、塑性变形和材料转移的总和。磨损体积只计算了低于参考线的“谷”的体积，如图3b 和图4b 所示。图5显示了不同环境下2.25Cr-1Mo 钢的磨损体积以及不同阶段下的磨损率。经过前105次微动循环后，室温水环境下的磨损量最小，仅有12.8×104 μm 3。这是因为水起到了很好的润滑作用[13]。室温大气环境下的磨损量略微增加，有43.4×104 μm 3。450 ℃高温下的磨损量显著增加，大气和液态钠环境的磨损量分别达到了108.3×104 μm 3和139.1×104 μm 3，如图5a 所示。这可能是不同环境下，2.25Cr-1Mo 钢在前期的剧烈磨损阶段表现出不同性能。图5b 显示的不同环境下前105次的磨损率（450 ℃/钠> 450 ℃/大气> RT/大气> RT/水）也证实了这一点。后105次微动循环后，不同环境下的磨损
体积都增长缓慢，磨损率都下降，如图5所示。因为磨损早已进入稳定磨损阶段，此时磨损率遵从450 /℃钠> RT/大气> 450 /℃大气> RT/水。说明不同阶段下，2.25Cr-1Mo 钢在450 ℃液态钠环境下表现出最差的磨损性能，在室温水环境下的磨损性能最好。
2.2  不同环境下的微动磨损机理
2.2.1  磨痕表面分析
图6—7分别显示了2.25Cr-1Mo 钢在不同环境下经过105和2×105次切向微动磨损循环后磨痕的SEM 图和元素测试结果。可以发现，在室温大气环境下，磨痕表面有较多的分层、剥落和裂纹，如图6a 和图7a 所示。这是因为材料在摩擦力的作用下，次表层产生疲劳裂纹并最终扩展至表面，形成材料的分层和剥落[7,11]。在室温水环境下，磨痕表面更加光滑，呈现出大量的犁沟以及少量的裂纹，如图6b 和图7b 所示。这与图3—4三维形貌结果一致。磨损与未磨损区域的EDS 点扫描结果如图6e 所示。磨损区域点1
图5  不同环境下的磨损数据
Fig.5 Wear data in different environments: a) wear volume; b) wear rate at different stages

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