真空環(huán)境下燃料組件壓緊彈簧疲勞應力松弛研究

徐 杰，陳建偉，林 峰，金 鳴，吳慶生，宋 勇

(1.中國科學院核能安全技術(shù)研究所 中子輸運理論與輻射安全重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.中國科學技術(shù)大學，安徽 合肥 230027)

鉛及鉛基合金作為裂變反應堆冷卻劑具有諸多優(yōu)點，例如良好的中子學和熱力學性能，同時與空氣和水呈惰性，大大降低了反應堆因冷卻劑泄露造成的安全風險[1,2]。燃料組件壓緊彈簧是鉛基反應堆中重要的結(jié)構(gòu)部件，提供適當?shù)膲壕o力以保持燃料組件在反應堆運行中始終被壓緊，防止液態(tài)金屬沖刷引起組件移位。壓緊彈簧實際工況復雜，承受來自反應堆運行中堆功率變化形成的冷熱循環(huán)、驅(qū)動泵運行造成的機械振動以及冷卻劑循環(huán)導致的流致振動等交變載荷[3,4]，這些交變載荷容易導致其發(fā)生疲勞破壞。同時壓緊彈簧長期處于高溫壓應力的工作環(huán)境下，可能造成彈簧較大的應力衰減甚至斷裂，使其失去結(jié)構(gòu)功能，造成燃料組件松動問題[5,6]。

國內(nèi)外關(guān)于燃料組件壓緊彈簧疲勞的研究較少，針對反應堆特殊工況下彈簧的疲勞研究更鮮有報道。李騰[7]開展了Cr18Ni9不銹鋼螺旋拉伸彈簧蠕變和應力松弛研究，得出該類型彈簧在室溫下的蠕變應變極限、穩(wěn)態(tài)蠕變速率和應力松弛負荷損失率。J.Vinys[8]研究了不同碳含量彈簧鋼在大塑性變形后回火期間出現(xiàn)的應力松弛現(xiàn)象，探討了材料的可塑性轉(zhuǎn)變的應用問題。董社霞[9]采用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法研究壓縮彈簧在特定工況下的應力松弛行為，建立了壓縮彈簧數(shù)值模型，求得了壓縮彈簧應力松弛后的殘余切應力。

以上研究有利于揭示壓緊彈簧的疲勞和蠕變性能，但進一步的研究仍有必要。為了真實反映彈簧實際工況，試驗溫度設定為鉛基反應堆長期運行溫度(450 ℃)。由于大部分的彈簧疲勞試驗在大氣中完成，不能排除氧化對試驗的影響，因而有必要在真空環(huán)境下開展相關(guān)試驗，也為后續(xù)在鉛鉍環(huán)境下開展試驗提供參考。最終，選擇三種高溫奧氏體鎳基不銹鋼并加工成壓緊彈簧。在450 °C條件下，分別進行10萬次疲勞循環(huán)的真空疲勞試驗。根據(jù)試驗結(jié)果選擇符合要求的壓緊彈簧材料，為反應堆燃料組件設計及制造提供參考。

1 試驗材料

由于壓緊彈簧的特殊工況，此次選擇的彈簧材料均為高溫奧氏體不銹鋼，三種彈簧鋼的化學成分如表1所示。加工后的彈簧進行熱強壓工藝處理，一方面可以防止彈簧的松弛，另一方面可以提高彈簧的疲勞強度。彈簧的幾何尺寸如圖1所示。彈簧的絲徑為3.5 mm，中徑為17 mm，彈簧的總?cè)?shù)為10節(jié)，有效圈數(shù)為8節(jié)，節(jié)距為6.8 mm。

表1 三種彈簧鋼化學成分

圖1 彈簧幾何尺寸

2 試驗方法

試驗前利用酒精中所有彈簧進行15 min超聲波清洗，去除彈簧在加工和運輸過程中附著在表面上的油污和雜質(zhì)。利用彈簧拉壓試驗機對所有彈簧進行剛度測量。測量方法為：測量不同彈力(50 N、100 N、150 N、200 N、250 N、300 N)時的彈簧的壓縮值L，并根據(jù)胡克定律計算其剛度。試驗后測量并根據(jù)公式(1)計算各彈簧的剛度。利用線切割進行切割取樣，經(jīng)機械拋光后進行硬度測量。采用ZEISS ΣIGMA場發(fā)射掃描電子顯微鏡背散射成相(Scanning electron microscope, BSD-SEM)觀察析出物。通過透射電子顯微鏡(Transmission electron microscope，TEM)觀察材料的微觀組織。

(1)

式中:L2——彈簧試驗后長度；

L1——彈簧原長；

F——彈簧壓縮量為l時對應的壓力值。

實際工況下，壓緊彈簧始終處于300 N左右的壓應力狀態(tài)。反應堆運行過程中的溫度變化使得燃料組件尺寸和位置都會受到影響，而壓緊彈簧的長度隨著組件的位置變化而變化(不超過5 mm)。真空疲勞試驗前將彈簧放置在特制的模具型腔中(見圖2)，利用真空疲勞機壓縮彈簧至300 N處(誤差控制在±2 N內(nèi))。試驗加載頻率為3 Hz，應變幅為±5 mm(以300 N位置為零點)，疲勞循環(huán)周次為10萬次，試驗溫度為450 ℃，試驗真空度保持在4.5×10-6～8.5×10-5mbar之間。在彈簧模具的上中下部各放置一根熱電偶，保證試驗過程中溫度一致。為確保彈簧受熱均勻，達到試驗溫度后保溫半小時再開始試驗。試驗結(jié)束后，等待真空室內(nèi)溫度降至室溫后泄去真空并取出彈簧。各類型彈簧均進行三次重復試驗并對實驗結(jié)果求平均值。

圖2 真空疲勞試驗機和壓緊彈簧試驗模具圖

3 試驗結(jié)果

3.1 彈簧形態(tài)變化

圖3為真空疲勞試驗前后彈簧試樣對比，可以看出真空疲勞試驗后各類型彈簧均保持形態(tài)完整，沒有發(fā)生斷裂，但各種彈簧在試驗后的長度均有不同程度的變短，其中632變化的幅度最大。

圖3 真空疲勞試驗前后彈簧試樣對比

表2為真空疲勞試驗后各類型彈簧長度。其中，GH4169和GH2132彈簧的長度減少量相似，分別平均減少4.20 mm和3.87 mm，為彈簧原長的7.05%和6.42%。632彈簧長度變化較大，減少4.92 mm為原長的8.19%。

表2 真空疲勞試驗前后各彈簧長度

3.2 彈簧力學行為

圖4為試驗后各類型彈簧的循環(huán)載荷曲線。其中縱坐標為每個疲勞循環(huán)過程中的峰值壓力。由圖4可知各彈簧的循環(huán)載荷曲線趨勢相似但又各不相同。632彈簧峰值壓力從-420 N左右開始，隨著循環(huán)次數(shù)增加快速衰減至-340 N左右并進入穩(wěn)定階段。當疲勞循環(huán)周次達到4萬左右壓力繼續(xù)減小，應力松弛現(xiàn)象明顯。GH4169彈簧循環(huán)載荷曲線和GH2132彈簧相似，呈現(xiàn)先減小后趨于穩(wěn)定的趨勢，穩(wěn)定值-370 N左右，但GH2132彈簧衰減速度明顯更快。同樣的衰減過程GH4169彈簧經(jīng)歷了8萬次左右疲勞循環(huán)而GH2132彈簧僅需2萬次循環(huán)左右。

圖4 真空疲勞試驗彈簧循環(huán)載荷曲線

根據(jù)公式(1)計算真空疲勞試驗后各類型彈簧剛度，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯稣婵掌谠囼灪髲椈蓜偠葴p小幅度整體較低。其中632彈簧真空疲勞試驗后ΔK(K前-K后)平均值為1.57 N/mm，大于另外兩種類型彈簧。GH2132和GH4169的ΔK相近，分別為0.55 N/mm和0.77 N/mm。

表3 真空疲勞試驗前后各類型彈簧剛度

4 討論

彈簧在一定應變條件下隨時間的增加會出現(xiàn)應力下降的現(xiàn)象，稱之為應力松弛。應力松弛現(xiàn)象往往會伴隨彈性元器件長度的變化。其主要原因是試驗過程中材料內(nèi)部的位錯不斷運動，導致部分彈性應變隨時間增加逐步轉(zhuǎn)化為非彈性應變[10]。這種非彈性應變的不斷積累造成材料在未達到彈簧彈性極限的條件下就能累積一定的塑性變形，在壓應力情況下使得彈簧長度縮短。

4.1 合金元素的變化

不同彈性材料在試驗后出現(xiàn)的應力松弛差異，其內(nèi)在原因是材料的合金元素存在差異[11]。Ni元素可以固溶于奧氏體相區(qū)并擴大奧氏體區(qū)，提高合金的再結(jié)晶溫度，增加材料的抗應力松弛能力，是影響彈簧長度變化的重要元素。本文選取的三種彈簧材料Ni元素含量差異較大，是材料應力松弛的重要原因之一。632Ni含量僅為7%左右，造成其抗疲勞松弛較差。GH2132和GH4169的Ni含量較高，使得二者應力衰減幅度較小，但更高Ni含量，可能是GH4169衰減速率較低的原因。

其次，在Ni-Ti系合金中高溫時容易產(chǎn)生沉淀析出。有文獻報道[12]Al和Ti元素含量比值為2時，材料的內(nèi)部組織均勻性最好，提高Al-Ti比值一定程度上會增強材料的抗熱腐蝕性，但比值過高不利于組織的均勻化，產(chǎn)生粗大的析出相Ni3Ti和Al3Ni，合金強度和塑性急劇降低，容易產(chǎn)生應力松弛現(xiàn)象。本文中GH2132和GH4169中Ti和Al元素含量比值接近2，而632中Al和Ti元素含量比值則過大。由各彈簧疲勞試驗后BSD-SEM圖可知，GH4169的析出相較少[見圖5(a)]，而GH2132析出相逐漸增多[見圖5(b)]，632在晶界處有明顯的析出物析出[見圖5(c)]。以上關(guān)于合金元素對材料應力松弛性能的論斷表明632彈簧抗應力松弛性能較差，而GH2132和GH4169的抗應力松弛性能較好，這和實際試驗結(jié)果能夠較好的吻合。

圖5 不同類型彈簧真空疲勞后BSD-SEM圖(a)GH4169；(b)GH2132；(c)632

4.2 變形機制的影響

層錯能的高低對變形過程中位錯的運動方式及孿晶密度有較大影響。Ni-Al奧氏體合金中，Ni和Al元素都是影響材料層錯能高低的重要元素。但本文中三種材料的Al元素的含量均較低，對層錯能的影響有限。對層錯能具有較大影響的是Ni元素。當Ni元素含量小于50%時，層錯能隨著Ni含量的增加而降低[13]，也就是說三種材料中GH4169層錯能最低，GH2132次之，632最高。如圖6所示，真空疲勞試驗后材料的微觀組織也觀察到相應的結(jié)構(gòu)。GH4169中層錯痕跡明顯，GH2132中層錯線密度降低，而在632則很難觀察到層錯的痕跡。材料在低層錯能狀態(tài)下，變形過程中分解的位錯難以束集，造成位錯滑移的方式主要為單滑移，而難以產(chǎn)生交滑移，增加位錯的阻力，提高了抗應力衰減的能力[14]。其次，低層錯能狀態(tài)下，材料的位錯密度和孿晶比例較高，使晶界在變形過程中產(chǎn)生不完全位錯，提高位錯的儲能能力，增加材料的加工硬化能力，也是材料抗應力衰減能力增加原因之一[15]。加工硬化程度可以通過試驗前后材料表層的顯微硬度變化大致反應[16,17]。圖5為各壓緊彈簧試驗前后硬度值，各彈簧的顯微硬度在試驗后均增加。632彈簧的硬度增加幅度最少，為3.9%，減緩疲勞過程中的應力松弛效果最差。GH2132和GH4169彈簧疲勞試驗后的硬度增加值相似，均高于632彈簧，減緩試驗過程彈簧的應力松弛也更明顯。

從真空疲勞試驗結(jié)果可以得出632彈簧在試驗后應力松弛現(xiàn)象最明顯，長度變化最大。GH4169和GH2132彈簧在試驗后長度和應力衰減均較小，處于較低水平。但GH4169彈簧具有更低的應力衰減速率，表現(xiàn)出優(yōu)良的抗高溫疲勞性能，最終選擇其作為燃料組件壓緊彈簧備選材料。

圖6 不同彈簧真空疲勞后TEM圖(a)632；(b)GH2132；(c)GH4169

5 結(jié)論與展望

燃料組件壓緊彈簧是反應堆重要結(jié)構(gòu)件，是反應堆正常運轉(zhuǎn)的重要組成部分。本文對三種奧氏體不銹鋼彈簧進行了10萬次真空疲勞試驗，試驗結(jié)果表明：

(1)所有類型彈簧在真空疲勞試驗后均保持形態(tài)完整，沒有發(fā)生斷裂；

(2)真空疲勞試驗后所有彈簧長度均變短，其中632彈簧變化最大，縮短長度為4.92 mm，GH2132和GH4169縮短長度相似，分別為3.87 mm和4.20 mm；所有類型彈簧的剛度在真空疲勞試驗后均降低，其中632彈簧降低幅度最大為1.57%，約是另外兩種彈簧的2倍。

(3)真空疲勞試驗過程后的632彈簧出現(xiàn)明顯的沿晶界析出物，使得材料脆化。同時其具有較高的層錯能，導致位錯變形更多的是交滑移，容易產(chǎn)生塑性累積，造成應力衰減。

(4)GH4169具有較好的抗應力松弛穩(wěn)定性，選擇其做為燃料組件壓緊彈簧的備選材料。

基于以上研究結(jié)果，后續(xù)將開展液態(tài)鉛鉍環(huán)境下組件壓緊彈簧的疲勞試驗，探究不同材料在液態(tài)鉛鉍環(huán)境下的疲勞行為，全面評估材料在反應堆中應用的可能，為組件壓緊彈簧的選材提供一定的理論參考。

致謝

本文開展研究工作中，得到了鳳麟團隊其他成員的大力支持和幫助，在此深表感謝！