工程科学学报，第37卷，第7期：928935,2015年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.7:928-935,July 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.015:http://journals.ustb.edu.cn Inconel600合金高温微动磨损特性 辛龙，马妙，陆永浩 北京科技大学国家材料服役安全科学中心，北京100083 ☒通信作者，E-mail:lu_yonghao(@mater..usth.edu.cn 摘要采用SRVV高精度微动磨损试验机研究核电材料Inconel6O0合金的高温微动磨损行为和机制.温度升高有利于黏 着区的形成，抑制微滑区的产生，促使摩擦系数和磨损量逐渐减小.摩擦氧化主要发生在环状滑动区，中心黏着区相对很少. 高温下氧元素分布较室温下的更加聚集.中心黏着区表面氧含量较低，表层大量存在Ni、C和Fe的单质.磨痕表面氧化物 由NO、C2O和F©，O,组成.室温和高温条件下磨痕表面中心黏着区和环状滑动区交界处产生了微裂纹，高温下裂纹萌生在 微滑区，与室温下相比，高温下裂纹萌生的数量更少，长度更短 关键词镍合金：高温：微动磨损：氧化 分类号TG146.1·5 Fretting wear properties of Inconel600 alloy at high temperature XIN Long,MA Miao,LU Yong-hao National Center for Materials Service Safety,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:lu_yonghao@mater.ustb.edu.cn ABSTRACT Fretting test was carried out using an SRV-IV fretting test rig in order to investigate the fretting behavior and mecha- nism of Inconel 600 alloy at high temperature.The results indicate that high temperature is beneficial to the formation of an adhesion zone,but restrain the generation of a micro-sliding zone.The friction coefficient and wear loss decrease with the increase of tempera- ture.Friction oxidation mainly occurs in the sliding zone of wear scars,while there is little oxidation in the adhesion zone.Oxygen concentration in the sliding zone at high temperature is more obvious than that at room temperature.At the center of the adhesion region,the oxygen content is low and there is a lot of single Ni,Cr and Fe.At the wear scar surface,the oxides are composed of NiO, Cr,O and Fe,O.At both room temperature and high temperature,microcracks are usually found in the sliding/adhesion junction zone,while the position of crack initiation at high temperature is in the micro-sliding zone.However,the number and length of cracks at high temperature are less than those at room temperature. KEY WORDS nickel alloys;high temperature:fretting wear:oxidation 微动是指两个接触表面发生极小振幅（一般为降，严重的情况下会导致一回路放射性污染和整个 微米级)的相对运动，常发生在近似紧密配合构件的蒸汽发生器的报废.微动损伤已成为蒸汽发生器失 接触表面上-习.由于流致振动等的影响，微动是核 效的主要原因之一6-.目前，国内外已有关于In- 电站设备中不可避免的现象.在几乎整个核电系统 conel600和690等热交换管材料微动磨损行为的研 的各个部分，例如压力容器、燃料组件、控制棒组件、 究-0，但针对高温微动损伤和机理的研究相对较 堆内构件、蒸汽发生器、换热器、主泵和管道部件都 少W.本研究主要针对Inconel600合金的高温微动 存在微动现象可.传热管失效将导致传热效率下 特征和损伤机理，为核反应堆关键部件抗高温微动 收稿日期：201403-12 基金项目：国家重点基础研究发展规划项目资助项目(2011CB610504)
工程科学学报，第 37 卷，第 7 期: 928--935，2015 年 7 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 7: 928--935，July 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 07． 015; http: / /journals． ustb． edu． cn Inconel600 合金高温微动磨损特性 辛 龙，马 妙，陆永浩 北京科技大学国家材料服役安全科学中心，北京 100083 通信作者，E-mail: lu_yonghao@ mater． ustb． edu． cn 摘 要 采用 SＲV-Ⅳ高精度微动磨损试验机研究核电材料 Inconel600 合金的高温微动磨损行为和机制． 温度升高有利于黏 着区的形成，抑制微滑区的产生，促使摩擦系数和磨损量逐渐减小． 摩擦氧化主要发生在环状滑动区，中心黏着区相对很少． 高温下氧元素分布较室温下的更加聚集． 中心黏着区表面氧含量较低，表层大量存在 Ni、Cr 和 Fe 的单质． 磨痕表面氧化物 由 NiO、Cr2O3和 Fe3O4组成． 室温和高温条件下磨痕表面中心黏着区和环状滑动区交界处产生了微裂纹，高温下裂纹萌生在 微滑区，与室温下相比，高温下裂纹萌生的数量更少，长度更短． 关键词 镍合金; 高温; 微动磨损; 氧化 分类号 TG146. 1 + 5 Fretting wear properties of Inconel600 alloy at high temperature XIN Long，MA Miao，LU Yong-hao National Center for Materials Service Safety，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: lu_yonghao@ mater． ustb． edu． cn ABSTＲACT Fretting test was carried out using an SＲV-Ⅳ fretting test rig in order to investigate the fretting behavior and mechanism of Inconel 600 alloy at high temperature． The results indicate that high temperature is beneficial to the formation of an adhesion zone，but restrain the generation of a micro-sliding zone． The friction coefficient and wear loss decrease with the increase of temperature． Friction oxidation mainly occurs in the sliding zone of wear scars，while there is little oxidation in the adhesion zone． Oxygen concentration in the sliding zone at high temperature is more obvious than that at room temperature． At the center of the adhesion region，the oxygen content is low and there is a lot of single Ni，Cr and Fe． At the wear scar surface，the oxides are composed of NiO， Cr2O3 and Fe3 O4 ． At both room temperature and high temperature，microcracks are usually found in the sliding /adhesion junction zone，while the position of crack initiation at high temperature is in the micro-sliding zone． However，the number and length of cracks at high temperature are less than those at room temperature． KEY WOＲDS nickel alloys; high temperature; fretting wear; oxidation 收稿日期: 2014--03--12 基金项目: 国家重点基础研究发展规划项目资助项目( 2011CB610504) 微动是指两个接触表面发生极小振幅( 一般为 微米级) 的相对运动，常发生在近似紧密配合构件的 接触表面上［1--3］． 由于流致振动等的影响，微动是核 电站设备中不可避免的现象． 在几乎整个核电系统 的各个部分，例如压力容器、燃料组件、控制棒组件、 堆内构件、蒸汽发生器、换热器、主泵和管道部件都 存在微动现象［4--5］． 传热管失效将导致传热效率下 降，严重的情况下会导致一回路放射性污染和整个 蒸汽发生器的报废． 微动损伤已成为蒸汽发生器失 效的主要 原 因 之 一［6--7］． 目前，国 内 外 已 有 关 于 Inconel 600 和 690 等热交换管材料微动磨损行为的研 究［8--10］，但针对高温 微 动 损 伤 和 机 理 的 研 究 相 对 较 少［11］． 本研究主要针对 Inconel 600 合金的高温微动 特征和损伤机理，为核反应堆关键部件抗高温微动
辛龙等：Inconel600合金高温微动磨损特性 ·929· 损伤提供理论和实验依据. 糙度Ra≈0.04um,硬度HV700:下试样是Inconel600 1实验 合金板，厚度为2mm,其化学成分如表1所示.将 Inconel600薄板切割为15mm×l5mm×2mm块体，试 1.1实验材料 样表面经研磨抛光至Ra≈0.04μm,除油清洁后，将试 上试样是直径为10mm的304不锈钢球，表面粗 样放入自制的夹具中 表1 Incoenl600合金的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of Inconel600 Cr Fe C Mn Si Cu Al Ti Co P Ni 15.2 11.0 0.022 0.23 0.29 0.13 0.23 0.30 0.060 0.0100.0028 余量 1.2微动磨损实验 上试样夹具 加载轴 试样上，下) 微动磨损实验仪器为德国Optimol公司生产的 SRV摩擦磨损试验机，微动磨损结构示意图见图1.微 动磨损实验在高温无润滑条件下进行，摩擦副接触方 式采用球/平面接触，微动方式为切向微动.微动机械 加热 条件为：载荷100N,振幅90um,频率20Hz,时间 C度感成器 30min.实验温度在核电站蒸汽发生器工作的温度范 围为280~340℃.实验前将试样浸泡于乙醇中，超声 波清洗20min. 1.3磨痕形貌分析 微动磨损实验结束后，将试样浸泡于酒精中，超声 波清洗20min,自然千燥24h,用三维白光千涉表面形 貌仪观察磨痕三维形貌并获取磨损体积：用扫描电子 显微镜观察磨损表面和截面的形貌：用能谱仪获取磨 位移甄动 接收组件 下试样夹具 痕表面的化学组成；用X射线光电子能谱仪研究磨痕 表面氧化层的成分和相组成 图1微动磨损结构示意图 Fig.I Schematic diagram of the fretting wear test rig 2结果和讨论 被迅速破坏和去除，上下试样作用增强，“处于上升 2.1温度对摩擦系数和磨损体积的影响 期：第二阶段，磨屑的产生和排出基本达到动态平衡，4 图2(a)为不同实验温度下摩擦系数（μ）随时间 进入相对稳定阶段.在稳定阶段，随着温度增加，逐 的变化曲线.从图中可以看出，摩擦系数随时间的变 渐降低.图2(b)为不同温度下平均摩擦系数和磨损 化可分为两个阶段：第一阶段，微动初始，合金表面膜 体积随温度的变化曲线。从图中可以看出，平均摩擦 0.9 (a) 0.84 30℃ 5.1x10. 4.8×105 0.7 4.5×10 20H 4.2x105 0.6 3.9x109 05 0℃ 340℃ 36%g 0.4 0.75 0.3 0.65 0.2 0.55 0.1 0.45 10 100 1000 0 50100150200250300350 时间s 温度℃ 图2摩擦系数和磨损体积的变化.()摩擦系数随时间的变化曲线：(b)平均摩擦系数和磨损体积与温度的关系曲线 Fig.2 Variation of friction coefficient and wear volume:(a)relationship between friction coefficient and time:(b)relations of average friction coef- ficient and wear volume with temperature
辛 龙等: Inconel600 合金高温微动磨损特性 损伤提供理论和实验依据． 1 实验 1. 1 实验材料 上试样是直径为 10 mm 的 304 不锈钢球，表面粗 糙度 Ｒa≈0. 04 μm，硬度 HV 700; 下试样是 Inconel 600 合金板，厚 度 为 2 mm，其 化 学 成 分 如 表 1 所 示． 将 Inconel 600薄板切割为 15 mm × 15 mm × 2 mm 块体，试 样表面经研磨抛光至 Ｒa≈0. 04 μm，除油清洁后，将试 样放入自制的夹具中． 表 1 Incoenl 600 合金的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of Inconel600 % Cr Fe C Mn Si Cu Al Ti Co P S Ni 15. 2 11. 0 0. 022 0. 23 0. 29 0. 13 0. 23 0. 30 0. 060 0. 010 0. 0028 余量 图 2 摩擦系数和磨损体积的变化． ( a) 摩擦系数随时间的变化曲线; ( b) 平均摩擦系数和磨损体积与温度的关系曲线 Fig． 2 Variation of friction coefficient and wear volume: ( a) relationship between friction coefficient and time; ( b) relations of average friction coefficient and wear volume with temperature 1. 2 微动磨损实验 微动磨损实验仪器为德国 Optimol 公司 生 产 的 SＲV 摩擦磨损试验机，微动磨损结构示意图见图 1． 微 动磨损实验在高温无润滑条件下进行，摩擦副接触方 式采用球/平面接触，微动方式为切向微动． 微动机械 条件为: 载 荷 100 N，振 幅 90 μm，频 率 20 Hz，时 间 30 min． 实验温度在核电站蒸汽发生器工作的温度范 围为 280 ～ 340 ℃ ． 实验前将试样浸泡于乙醇中，超声 波清洗 20 min． 1. 3 磨痕形貌分析 微动磨损实验结束后，将试样浸泡于酒精中，超声 波清洗 20 min，自然干燥 24 h，用三维白光干涉表面形 貌仪观察磨痕三维形貌并获取磨损体积; 用扫描电子 显微镜观察磨损表面和截面的形貌; 用能谱仪获取磨 痕表面的化学组成; 用 X 射线光电子能谱仪研究磨痕 表面氧化层的成分和相组成． 2 结果和讨论 2. 1 温度对摩擦系数和磨损体积的影响 图 2( a) 为不同实验温度下摩擦系数( μ) 随时间 的变化曲线． 从图中可以看出，摩擦系数随时间的变 化可分为两个阶段: 第一阶段，微动初始，合金表面膜 图 1 微动磨损结构示意图 Fig． 1 Schematic diagram of the fretting wear test rig 被迅速破坏和去除，上下试样作用增强，μ 处于上升 期; 第二阶段，磨屑的产生和排出基本达到动态平衡，μ 进入相对稳定阶段． 在稳定阶段，随着温度增加，μ 逐 渐降低． 图 2( b) 为不同温度下平均摩擦系数和磨损 体积随温度的变化曲线． 从图中可以看出，平均摩擦 · 929 ·
·930· 工程科学学报，第37卷，第7期 系数和磨损体积随温度升高逐渐减小，且二者的变化 涉表面磨痕形貌图.从图中能够看出：所有温度下微 趋势相同.这是由于温度升高，摩擦氧化作用逐渐增 动都处在典型的部分滑移区因：室温下磨痕表面凹凸 强，有利于磨屑层的形成，其发挥承载和减摩的作用逐 起伏较大，温度较高时磨痕表面变得较圆滑：中心黏着 渐增强☒ 区和环状滑动区的交界处形貌发生突变，这里是微动 图3为Inconel(600合金在不同温度下三维白光干 裂纹的萌生高发区. 创 600 600 500 500 400 400 300 300 200 200 100 100 00 100200300400500600700800 0010200300400500600700800 x/um xμm (d) 600 600 500 500 400 400 300 300 200 y0.5 200 100 100 25 100200300400500600700800 2 00 100200300400500600700800 x/umy x小m 图3不同温度下三维白光干涉表面磨痕形貌图.(a)30℃：(b)280℃：(c)310℃：(d)340℃ Fig.3 Three-dimensional topographies of wom surfaces at different temperatures by white-light interfering:(a)30℃：(b)280℃：(c)310℃： (d)340℃ 2.2损伤分析 剥落，形成剥层（图6(a)所示）.高温区的磨损轻微， 图4为不同温度下Inconel600合金的磨痕形貌图 中心较平滑，颗粒剥落不明显，剥层较少（图6(b)~ 及其相应氧元素分布情况.室温下中心黏着区划伤明 (d)所示).随着温度的升高，中心黏着区和环状滑动 显，呈椭圆状（图4(a)所示），高温下中心黏着区没有 区沿微动方向的划痕和犁削逐渐减少，表面逐渐变平 明显划痕，呈较光滑的球面压坑（图4(b)~(d)所 整.这是由于温度升高，氧化速率加快，表面氧化层逐 示)：所有温度条件下中心黏着区氧元素分布极少，氧 步变厚并牢固的附在基体上，有好的耐磨性.随温 元素大量分布在环状滑动区，说明高温和室温下环状 度的升高，环状滑动区的宽度逐渐减少（图6(e)~ 滑动区被大面积氧化.高温条件下滑动区的氧元素环 ()所示).不论室温还是高温条件下，在中心黏着区 边界较室温下更加清晰，说明高温条件下氧含量更高 和环状滑动区的交界处都发现了裂纹. 随着温度的升高，环状滑动区的面积逐渐减小，中心黏 图7为不同温度微动磨损所得磨痕的横截面形貌 着区的面积呈增大趋势.这表明提高温度有利于黏着 图，图8为图7中A、B两处的局部放大形貌图.从图 区的形成，抑制微滑区的产生. 中可以看出，30、310和340℃在磨痕表面中心黏着区 选取280℃下磨痕表面进行中心黏着区和环状滑 和环状滑动区的交界处的下方都产生了裂纹，且裂纹 动区两个典型区域的X射线光电子能谱分析，研究磨 发展方向大致相同：但310℃和340℃下裂纹萌生数量 痕表面氧化物的相组成，结果如图5所示.对比可知， 更少，发展的长度更小，这可能是由于温度升高，磨屑 中心黏着区和环状滑动区的表层相组成差别很大，中 在接触表面上逐渐堆积，使得应力分布均匀，应力集中 心黏着区存在Ni、Cr和Fe的单质，而环状滑动区只有 有所减弱，从而阻止裂纹的萌生和扩展. 基体Nⅱ单质存在：中心黏着区和环状滑动区存在氧化 图9为磨痕截面特征区域(1、2*和3分别为图7 物的形式一样，为NiO、Cr2O,和Fe,04 中340℃条件下中心位置、环状滑动区位置和垂直于 图6为不同温度下Inconel600合金的磨痕中心与 裂纹扩展方向位置)的能谱结果.由图分析可知，黏着 边缘形貌图.室温下磨损较严重，中心凹凸不同，颗粒 区表面没有较厚的氧化层形成，环状滑动区表面存在
工程科学学报，第 37 卷，第 7 期 系数和磨损体积随温度升高逐渐减小，且二者的变化 趋势相同． 这是由于温度升高，摩擦氧化作用逐渐增 强，有利于磨屑层的形成，其发挥承载和减摩的作用逐 渐增强［12］． 图 3 为 Inconel600 合金在不同温度下三维白光干 涉表面磨痕形貌图． 从图中能够看出: 所有温度下微 动都处在典型的部分滑移区［13］; 室温下磨痕表面凹凸 起伏较大，温度较高时磨痕表面变得较圆滑; 中心黏着 区和环状滑动区的交界处形貌发生突变，这里是微动 裂纹的萌生高发区［7，14］． 图 3 不同温度下三维白光干涉表面磨痕形貌图． ( a) 30 ℃ ; ( b) 280 ℃ ; ( c) 310 ℃ ; ( d) 340 ℃ Fig． 3 Three-dimensional topographies of worn surfaces at different temperatures by white － light interfering: ( a) 30 ℃ ; ( b) 280 ℃ ; ( c) 310 ℃ ; ( d) 340 ℃ 2. 2 损伤分析 图 4 为不同温度下 Inconel600 合金的磨痕形貌图 及其相应氧元素分布情况． 室温下中心黏着区划伤明 显，呈椭圆状( 图 4( a) 所示) ，高温下中心黏着区没有 明显划痕，呈较光滑的球面压坑( 图 4 ( b) ～ ( d) 所 示) ; 所有温度条件下中心黏着区氧元素分布极少，氧 元素大量分布在环状滑动区，说明高温和室温下环状 滑动区被大面积氧化． 高温条件下滑动区的氧元素环 边界较室温下更加清晰，说明高温条件下氧含量更高． 随着温度的升高，环状滑动区的面积逐渐减小，中心黏 着区的面积呈增大趋势． 这表明提高温度有利于黏着 区的形成，抑制微滑区的产生． 选取 280 ℃下磨痕表面进行中心黏着区和环状滑 动区两个典型区域的 X 射线光电子能谱分析，研究磨 痕表面氧化物的相组成，结果如图 5 所示． 对比可知， 中心黏着区和环状滑动区的表层相组成差别很大，中 心黏着区存在 Ni、Cr 和 Fe 的单质，而环状滑动区只有 基体 Ni 单质存在; 中心黏着区和环状滑动区存在氧化 物的形式一样，为 NiO、Cr2O3和 Fe3O4 ． 图 6 为不同温度下 Inconel600 合金的磨痕中心与 边缘形貌图． 室温下磨损较严重，中心凹凸不同，颗粒 剥落，形成剥层( 图 6( a) 所示) ． 高温区的磨损轻微， 中心较平滑，颗粒剥落不明显，剥层较少( 图 6 ( b) ～ ( d) 所示) ． 随着温度的升高，中心黏着区和环状滑动 区沿微动方向的划痕和犁削逐渐减少，表面逐渐变平 整． 这是由于温度升高，氧化速率加快，表面氧化层逐 步变厚并牢固的附在基体上，有好的耐磨性［15］． 随温 度的升高，环状滑动区的宽度逐渐减少( 图 6 ( e) ～ ( h) 所示) ． 不论室温还是高温条件下，在中心黏着区 和环状滑动区的交界处都发现了裂纹． 图 7 为不同温度微动磨损所得磨痕的横截面形貌 图，图 8 为图 7 中 A、B 两处的局部放大形貌图． 从图 中可以看出，30、310 和 340 ℃ 在磨痕表面中心黏着区 和环状滑动区的交界处的下方都产生了裂纹，且裂纹 发展方向大致相同; 但310 ℃和340 ℃下裂纹萌生数量 更少，发展的长度更小，这可能是由于温度升高，磨屑 在接触表面上逐渐堆积，使得应力分布均匀，应力集中 有所减弱，从而阻止裂纹的萌生和扩展． 图 9 为磨痕截面特征区域( 1# 、2# 和 3# 分别为图 7 中 340 ℃条件下中心位置、环状滑动区位置和垂直于 裂纹扩展方向位置) 的能谱结果． 由图分析可知，黏着 区表面没有较厚的氧化层形成，环状滑动区表面存在 · 039 ·
辛龙等：Inconel600合金高温微动磨损特性 931· (a) 100nm 0-K (b) 100um 0-K 100m 0-K d 100m 0-K 图4不同温度下磨痕形貌及其相应氧元素分布.(a)30℃：(b)280℃：(c)310℃：(d)340℃ Fig.4 SEM images and corresponding oxygen distributions of worn surfaces at different temperatures:(a)30℃：(b)280℃：(c)310℃； (d)340℃ 约2μm厚的氧化层，裂纹两侧氧含量很低. 聚集 (3)中心黏着区表面氧含量较低，表层存在大量 3结论 Ni、Cr和Fe的单质：磨痕表面氧化物由NiO、CrO和 (1)温度升高有利于黏着区的形成，抑制滑动磨 Fe0.组成. 损的发生，促使摩擦系数和磨损量逐渐减小 (4)室温和高温下磨痕表面黏着区和微滑区交界 (2)摩擦氧化主要发生在磨痕的微滑区，中心黏 处都产生了微裂纹，高温下裂纹萌生在微滑区，与室温 着区相对很少：高温条件下氧元素分布较室温下更加 下相比，高温下萌生裂纹的数量更少，长度更小
辛 龙等: Inconel600 合金高温微动磨损特性 图 4 不同温度下磨痕形貌及其相应氧元素分布． ( a) 30 ℃ ; ( b) 280 ℃ ; ( c) 310 ℃ ; ( d) 340 ℃ Fig． 4 SEM images and corresponding oxygen distributions of worn surfaces at different temperatures: ( a) 30 ℃ ; ( b) 280 ℃ ; ( c) 310 ℃ ; ( d) 340 ℃ 约 2 μm 厚的氧化层，裂纹两侧氧含量很低． 3 结论 ( 1) 温度升高有利于黏着区的形成，抑制滑动磨 损的发生，促使摩擦系数和磨损量逐渐减小． ( 2) 摩擦氧化主要发生在磨痕的微滑区，中心黏 着区相对很少; 高温条件下氧元素分布较室温下更加 聚集． ( 3) 中心黏着区表面氧含量较低，表层存在大量 Ni、Cr 和 Fe 的单质; 磨痕表面氧化物由 NiO、Cr2 O3 和 Fe3O4组成． ( 4) 室温和高温下磨痕表面黏着区和微滑区交界 处都产生了微裂纹，高温下裂纹萌生在微滑区，与室温 下相比，高温下萌生裂纹的数量更少，长度更小． · 139 ·
·932· 工程科学学报，第37卷，第7期 L.4x10N-2p Ni-2p 4.0x10 1.2x10 3.6x10 .0x10 3.2×10 0.8x10 2.8×10 2.4x10 0.6×10 840.850860870880890 840850860870880890 结合能eV 结合能eV 3.5x10r 1.3x10 Cr-2p (c) Cr-2p 3.0x10 1.2×10 Cr,O Cr,0. 2.5x10 1.×10 1.0x10 2.0x10 0.9x10 1.5×10 0.8x10㎡ 1.0×10 565.570575580585590595 56.5570575580585590595 结合能/eV 结合能/eV 65x10 Fe-2p (e) 2.2x10F2 Fe.O () 6.0x10 5.5x10 2.0x10 5.0x10 4.5x10 1.8×10 4.0x10 3.5x10 3.0x10 1.4×10㎡F 2.5x10 700 710720730740 700 710720730 740 结合能/eV 结合能/eV 6x100-1g 0-1s 2.5x10H 5×10 Fe O 2.0x10H 4x10 Cr.O NiO Cr,0 1.5x10 Fe,O 3x10 2x10 1.0x10 1×10 0.5×10 525 530535540 545 525 530535540 545 结合能eV 结合能eV 图5280℃时磨痕表面氧化层的X射线光电子能谱及分析结果.(a)中心黏着区Ni2p:(b)环状滑动区Ni2p:(c)中心黏若区Cr2p: (d)环状滑动区Cr2p:(e)中心黏若区Fe2p:(d)环状滑动区Fe2p:(g)中心黏着区0Hs:(h)环状滑动区0Hs Fig.5 XPS spectra of the oxidation film and their analysis results in the wear scar at 280C:(a)Ni2p at the center adhesion zone:(b)Ni2p at the annular sliding zone;(c)Cr2p at the center adhesion zone:(d)Cr2p at the annular sliding zone;(e)Fe2p at the center adhesion zone;(f) Fe2p at the annular sliding zone:(e)0-s at the center adhesion zone:(f)0-s at the annular sliding zone
工程科学学报，第 37 卷，第 7 期 图 5 280 ℃时磨痕表面氧化层的 X 射线光电子能谱及分析结果． ( a) 中心黏着区 Ni-2p; ( b) 环状滑动区 Ni-2p; ( c) 中心黏着区 Cr-2p; ( d) 环状滑动区 Cr-2p; ( e) 中心黏着区 Fe-2p; ( d) 环状滑动区 Fe-2p; ( g) 中心黏着区 O-1s; ( h) 环状滑动区 O-1s Fig． 5 XPS spectra of the oxidation film and their analysis results in the wear scar at 280 ℃ : ( a) Ni-2p at the center adhesion zone; ( b) Ni-2p at the annular sliding zone; ( c) Cr-2p at the center adhesion zone; ( d) Cr-2p at the annular sliding zone; ( e) Fe-2p at the center adhesion zone; ( f) Fe-2p at the annular sliding zone; ( e) O-1s at the center adhesion zone; ( f) O-1s at the annular sliding zone · 239 ·
辛龙等：Inconel600合金高温微动磨损特性 ·933 a 204m 20m (c) d 20m 20μm f) 204m 20m (g) h 20m 20m 图6不同温度下磨痕中心和边缘扫描电镜形貌.(a)30℃中心：(b)30℃边缘：(c)280℃中心：(d)280℃边缘：(e)310℃中心：(0310 ℃边缘：(g)340℃中心：(h)340℃边缘 Fig.6 SEM images of the wear scar both at the wom scar center and edge zone:(a)center zone at 30C:(b)edge zone at 30 C:(c)center zone at280℃：(d)edge zone at280℃：(e)center zone at310℃：(f0 edge zone at310℃：(g)center zone at340℃：(h)edge zone at340℃ 310℃ 340℃ 30℃ 100um 图730、310和340℃时磨痕横截面形貌 Fig.7 SEM cross-sectional morphologies of wear scars at 30,310 and 340 C
辛 龙等: Inconel600 合金高温微动磨损特性 图 6 不同温度下磨痕中心和边缘扫描电镜形貌． ( a) 30 ℃中心; ( b) 30 ℃边缘; ( c) 280 ℃中心; ( d) 280 ℃边缘; ( e) 310 ℃中心; ( f) 310 ℃边缘; ( g) 340 ℃中心; ( h) 340 ℃边缘 Fig． 6 SEM images of the wear scar both at the worn scar center and edge zone: ( a) center zone at 30 ℃ ; ( b) edge zone at 30 ℃ ; ( c) center zone at 280 ℃ ; ( d) edge zone at 280 ℃ ; ( e) center zone at 310 ℃ ; ( f) edge zone at 310 ℃ ; ( g) center zone at 340 ℃ ; ( h) edge zone at 340 ℃ 图 7 30、310 和 340 ℃时磨痕横截面形貌 Fig． 7 SEM cross-sectional morphologies of wear scars at 30，310 and 340 ℃ · 339 ·
·934· 工程科学学报，第37卷，第7期 (b) 10m 10m 图8放大SEM形貌图.(a)图7中A位置：(b)图7中B位置 Fig.8 Magnified SEM images:(a)Position A in Fig.7:(b)Position B in Fig.7 100F(a) 表面 Ni Fe 40 Cr 0 20 10 距离/μm 100b) 氧化层 20 0 10 距离/μm 100 60 NiFe 40 表面 裂纹 Cr 0 20 10 15 距离/μm 图9图7中340℃下磨痕截面不同位置的能谱扫描结果.(a)1:(b)2:(c)3 Fig.9 Results of EDS line scanning in the crosssection of wear scars at 340 C in Fig.7:(a)1:(b)2*;(c)3 参考文献 [5]Zinkle S J,Was G S.Materials challenges in nuclear energy.Acta Mata,2013,61(3):735 [6]Stiller K,Nilsson J 0,Norring K.Structure,chemistry and stress Waterhouse R B.Fretting Corrosion.Oxford:Pergamon Press, corrosion cracking of grain boundaries in alloys 600 and 690.Met- 1972 all Mater Trans A,1996,27(2):327 Zhou Z R,Zhu W H.Composite Fretting Wear.Shanghai:Shang- [7]Lim M K,Oh S D,Lee Y Z.Friction and wear of Inconel 690 and hai Jiao Tong University Press,2004 Inconel 600 for steam generator tube in room temperature water. (周仲荣，朱旻吴.复合微动磨损.上海：上海交通大学出版 ucl Eng Des,2003,226(2):97 社，2004) [8]LiJ,Lu Y H.Effects of displacement amplitude on fretting wea 3]Lavella M,Botto D.Fretting wear characterization by point con- behaviors and mechanism of Inconel 600 alloy.Wear,2013,304 tact of nickel superalloy interfaces.Wear,2011,271 (9-10): (1-2):223 1543 Chung I,Lee M.An experimental study on fretting wear behavior 4]Tang H.Frettingdamage,one of world-wide difficulties in the field of cross-contacting Inconel 690 tubes.Nucl Eng Des,2011,241 of nuclear power equipment and structures for a long-erm.Nucl (10):4103 Power Eng,2000,21(3):221 [10]Kwon J D,Jeung H K,Chung I S,et al.A study on fretting fa-
工程科学学报，第 37 卷，第 7 期 图 8 放大 SEM 形貌图． ( a) 图 7 中 A 位置; ( b) 图 7 中 B 位置 Fig． 8 Magnified SEM images: ( a) Position A in Fig． 7; ( b) Position B in Fig． 7 图 9 图 7 中 340 ℃下磨痕截面不同位置的能谱扫描结果． ( a) 1# ; ( b) 2# ; ( c) 3# Fig． 9 Ｒesults of EDS line scanning in the cross-section of wear scars at 340 ℃ in Fig． 7: ( a) 1# ; ( b) 2# ; ( c) 3# 参 考 文 献 ［1］ Waterhouse Ｒ B． Fretting Corrosion． Oxford: Pergamon Press， 1972 ［2］ Zhou Z Ｒ，Zhu W H． Composite Fretting Wear． Shanghai: Shanghai Jiao Tong University Press，2004 ( 周仲荣，朱旻昊． 复合微动磨损． 上海: 上海交通大学出版 社，2004) ［3］ Lavella M，Botto D． Fretting wear characterization by point contact of nickel superalloy interfaces． Wear，2011，271 ( 9 － 10) : 1543 ［4］ Tang H． Frettingdamage，one of world-wide difficulties in the field of nuclear power equipment and structures for a long-term． Nucl Power Eng，2000，21( 3) : 221 ［5］ Zinkle S J，Was G S． Materials challenges in nuclear energy． Acta Mater，2013，61( 3) : 735 ［6］ Stiller K，Nilsson J O，Norring K． Structure，chemistry and stress corrosion cracking of grain boundaries in alloys 600 and 690． Metall Mater Trans A，1996，27( 2) : 327 ［7］ Lim M K，Oh S D，Lee Y Z． Friction and wear of Inconel 690 and Inconel 600 for steam generator tube in room temperature water． Nucl Eng Des，2003，226( 2) : 97 ［8］ Li J，Lu Y H． Effects of displacement amplitude on fretting wear behaviors and mechanism of Inconel 600 alloy． Wear，2013，304 ( 1 － 2) : 223 ［9］ Chung I，Lee M． An experimental study on fretting wear behavior of cross-contacting Inconel 690 tubes． Nucl Eng Des，2011，241 ( 10) : 4103 ［10］ Kwon J D，Jeung H K，Chung I S，et al． A study on fretting fa- · 439 ·
辛龙等：Inconel600合金高温微动磨损特性 ·935 tigue characteristics of Inconel 690 at high temperature.Tribol [13]Zhu M,Zhou Z.On the mechanisms of various fretting wear 1t,2011,44(11):1483 modes.Tribol1t,2011,44(11):1378 [11]Hong S M,Kim I S.Impact fretting wear of alloy 690 tubes at 25 [14]Zhou Z R,Vincent L.Fretting Wear.Beijing:Science Press, ℃and290℃.Wer,2005,259(16):356 2002 [2]Zhang X Y,Ren P D,Zhang Y F,et al.Fretting wear behavior (周仲荣，Vincent L微动磨损.北京：科学出版社，2002) of Incoloy800 alloy at high temperature.Chin Nonferrous Met, [15]Li S Z.Erosion Wear and Freting Wear of Materials.Beijing: 2009,20(8):1546 China Machine Press,1987 (张晓宇，任平弟，张亚非，等.800合金高温微动磨损特 (李诗卓.材料的冲蚀磨损与微动磨损.北京：机械工业出 性研究.中国有色金属学报，2009,20(8)：1546) 版社，1987)
辛 龙等: Inconel600 合金高温微动磨损特性 tigue characteristics of Inconel 690 at high temperature． Tribol Int，2011，44 ( 11) : 1483 ［11］ Hong S M，Kim I S． Impact fretting wear of alloy 690 tubes at 25 ℃ and 290 ℃ ． Wear，2005，259( 1--6) : 356 ［12］ Zhang X Y，Ｒen P D，Zhang Y F，et al． Fretting wear behavior of Incoloy800 alloy at high temperature． Chin J Nonferrous Met， 2009，20 ( 8) : 1546 ( 张晓宇，任平弟，张亚非，等． I--800 合金高温微动磨损特 性研究． 中国有色金属学报，2009，20( 8) : 1546) ［13］ Zhu M，Zhou Z． On the mechanisms of various fretting wear modes． Tribol Int，2011，44( 11) : 1378 ［14］ Zhou Z Ｒ，Vincent L． Fretting Wear． Beijing: Science Press， 2002 ( 周仲荣，Vincent L． 微动磨损． 北京: 科学出版社，2002) ［15］ Li S Z． Erosion Wear and Fretting Wear of Materials． Beijing: China Machine Press，1987 ( 李诗卓． 材料的冲蚀磨损与微动磨损． 北京: 机械工业出 版社，1987) · 539 ·