陳 寶 石 勇 薄涵亮

(1.海軍裝備部駐北京地區(qū)第七軍事代表室 北京 100120；2.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院 北京 100084)

控制棒水壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)是清華大學(xué)在5MW低溫供熱核反應(yīng)堆水力驅(qū)動(dòng)控制棒技術(shù)深入研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合了商用壓水核反應(yīng)堆磁力提升器的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展而來(lái)的一種新型內(nèi)置式控制棒驅(qū)動(dòng)技術(shù)。該技術(shù)的核心設(shè)備為控制棒水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)的一回路水作為介質(zhì)，采用3個(gè)水壓缸(提升缸、傳遞缸、夾持缸)驅(qū)動(dòng)2套銷爪機(jī)構(gòu)，抓住或松開(kāi)控制棒驅(qū)動(dòng)軸，從而帶動(dòng)控制棒吸收體在堆芯做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)或快速落棒，從而實(shí)現(xiàn)堆芯反應(yīng)性的調(diào)節(jié)[1-2]。其結(jié)構(gòu)和組成如圖1所示[3]。與商用壓水堆磁力提升器相比，控制棒水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用金屬材料的水壓缸替代電磁線圈，克服其不耐高溫輻照等問(wèn)題；采用一回路水液壓驅(qū)動(dòng)，將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)置于壓力容器內(nèi)部，降低反應(yīng)堆高度，消除了彈棒隱患，具有傳動(dòng)線短，安全性高的優(yōu)勢(shì)，適用于一體化反應(yīng)堆[1-2]。

圖1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及水壓缸結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of the hydraulic cylinder component

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心部件，由外套缸、內(nèi)套缸、活塞環(huán)和復(fù)位彈簧組成。其中外套缸和活塞密封環(huán)構(gòu)成一對(duì)摩擦副，如圖1所示。已有學(xué)者針對(duì)控制棒水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和機(jī)制開(kāi)展了理論和實(shí)驗(yàn)研究。如秦本科等[3-5]對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸的充泄壓過(guò)程進(jìn)行了理論分析，建立了水壓缸單缸充泄壓理論模型；劉潛峰等[6-8]建立了水壓缸理論模型并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)影響水壓缸運(yùn)行的主要參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)特性分析，并對(duì)水壓缸升壓和降壓過(guò)程進(jìn)行了理論分析。以上研究為水壓缸和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。

另一方面，外套缸和活塞環(huán)構(gòu)成的摩擦副性能也對(duì)水壓缸和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能有重要影響，其使用壽命直接影響驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的壽命和可靠性。陳洋[9]提出了采用表面強(qiáng)化的方法來(lái)降低摩擦因數(shù)和提高摩擦副耐磨性，并對(duì)水壓缸外套缸沉積氮化鈦(TiN)、碳化鎢(WC)和鈷基合金3種薄膜或涂層后的摩擦因數(shù)及抗熱沖擊性能進(jìn)行了研究，提出了在水壓缸外套缸內(nèi)表面沉積TiN膜，活塞環(huán)上沉積DLC膜的摩擦副配伍方案。由于不銹鋼基體材料硬度相對(duì)較低，與TiN膜層的硬度存在較大的差異，在高載荷使用條件下容易導(dǎo)致TiN膜層脫落或塌陷，影響摩擦副壽命及可靠性，需在不銹鋼基體材料表面噴涂一層硬度較高的材料后再鍍TiN膜。采用超音速火焰噴涂制備的WC涂層擁有優(yōu)異的耐磨性能，與目前應(yīng)用較多的碳化鉻(Cr3C2)涂層具有類似的耐蝕、耐高溫等性能[10-11]，長(zhǎng)時(shí)間服役后表面仍可維持在初始狀態(tài)[12-15]。因此，實(shí)際加工制造中選用先噴涂WC涂層，然后以該涂層為基體，再沉積TiN膜的方案。然而在生產(chǎn)及使用過(guò)程中出現(xiàn)WC涂層產(chǎn)生“龜裂紋”的問(wèn)題，如圖2所示，存在影響摩擦副性能及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用壽命的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 摩擦副往復(fù)運(yùn)動(dòng)1 000次后出現(xiàn)“龜裂紋”形貌Fig.2 Cracks on the coating after 1 000 times of usage：(a)outer cylinder appearance；(b)dissected inner surface

針對(duì)上述問(wèn)題，本文作者采用優(yōu)化磨削進(jìn)給量和去應(yīng)力處理對(duì)WC涂層工藝進(jìn)行了優(yōu)化，然后通過(guò)涂層殘余應(yīng)力測(cè)試、涂層無(wú)損檢測(cè)、摩擦磨損性能試驗(yàn)、水壓缸冷態(tài)性能試驗(yàn)對(duì)工藝優(yōu)化的效果進(jìn)行了評(píng)估和驗(yàn)證，獲得了涂層結(jié)合力、顯微硬度等涂層基本性能參數(shù)，建立了摩擦副的磨損行為演變機(jī)制，獲得了WC涂層水壓缸在100萬(wàn)次冷態(tài)壽期內(nèi)運(yùn)動(dòng)阻力和泄漏率變化數(shù)據(jù)和規(guī)律，驗(yàn)證了WC涂層工藝優(yōu)化效果及涂層的可靠性。文中研究結(jié)果為控制棒水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和整體性能研究提供了基礎(chǔ)。

1 WC涂層工藝優(yōu)化方法

1.1 涂層磨削

水壓缸外套缸內(nèi)孔采用爆炸噴涂制備WC-12Co耐磨涂層，涂層制備態(tài)表面粗糙度一般為Ra6.3 μm，而根據(jù)水壓缸使用要求，涂層區(qū)粗糙度應(yīng)降低至Ra0.4 μm，需要采用金剛石砂輪對(duì)內(nèi)圓進(jìn)行磨削加工。內(nèi)圓磨削的主要參數(shù)包含主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量，其中進(jìn)給量的大小直接影響涂層磨削工藝質(zhì)量，因此文中針對(duì)涂層磨削工藝中進(jìn)給量進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，確定了涂層磨削工藝參數(shù)為：粗磨進(jìn)給量不高于0.02 mm，精磨進(jìn)給量應(yīng)不高于0.01 mm。

1.2 去應(yīng)力處理

造成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸外套缸WC涂層產(chǎn)生“龜裂紋”問(wèn)題的直接原因是涂層內(nèi)應(yīng)力。WC涂層硬度較高，噴涂過(guò)程中和磨削后涂層表面通常存在殘余壓應(yīng)力。因此文中主要采用熱處理的方法降低涂層殘留應(yīng)力。對(duì)噴涂WC涂層后的水壓缸外套缸進(jìn)行去應(yīng)力熱處理參數(shù)為：溫度(150±10)°C，保溫時(shí)間(4±1)h 。

2 去除應(yīng)力及“龜裂紋”效果測(cè)試結(jié)果及討論

2.1 WC涂層應(yīng)力測(cè)試

磨削后和熱處理后分別在水壓缸外套缸圓周面的相近位置進(jìn)行取樣，取樣位置如圖3所示。采用X射線衍射應(yīng)力測(cè)試的方法對(duì)涂層磨削后和去應(yīng)力處理后的表面狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。表中1、2、3是水壓缸外套缸不同位置涂層磨削加工后表面的殘余應(yīng)力值，4、5、6是同一缸體不同位置熱處理后涂層表面的殘余應(yīng)力值?？梢钥吹剑?jīng)過(guò)涂層去應(yīng)力處理后，表層的殘余應(yīng)力值顯著降低，驗(yàn)證了去應(yīng)力處理參數(shù)的有效性。

圖3 取樣位置示意Fig.3 Schematic of sampling location

表1 涂層加工后表面殘余應(yīng)力Table 1 Residual stresses of the WC coating

2.2 WC涂層無(wú)損檢測(cè)

WC涂層檢測(cè)按照GJB 2367A《滲透檢驗(yàn)》中最為嚴(yán)格的方法進(jìn)行，即滲透劑選用Ι類(熒光滲透劑)、滲透劑去除方法選用D法，滲透劑靈敏度等級(jí)選用超高靈敏度(4級(jí))，顯像劑選用a型。去應(yīng)力處理后水壓缸外套缸液體滲透探傷結(jié)果如圖4所示，可見(jiàn)涂層磨削后的表面未發(fā)現(xiàn)裂紋熒光顯示。

圖4 去應(yīng)力處理后水壓缸外套缸液體滲透探傷結(jié)果Fig.4 Liquid penetrant inspection result of the coating after stress relief treatment

采用1.2節(jié)中磨削參數(shù)加工涂層，測(cè)試涂層表面粗糙度為Ra0.80 μm。為進(jìn)一步提升涂層表面光潔度以滿足水壓缸使用要求，采用金剛石研磨膏對(duì)涂層面進(jìn)行研磨加工，研磨后涂層表面光潔度為Ra0.40 μm。涂層表面探傷情況見(jiàn)圖5，未發(fā)現(xiàn)涂層裂紋顯示。

圖5 熒光探傷測(cè)試結(jié)果Fig.5 Fluorescent crack detection result of the coating after grinding

3 WC涂層性能測(cè)試結(jié)果與討論

通過(guò)采用去應(yīng)力處理和優(yōu)化磨削進(jìn)給量的優(yōu)化工藝解決WC涂層“龜裂紋”問(wèn)題后，對(duì)采用優(yōu)化后工藝加工制備的WC涂層試驗(yàn)件涂層厚度、彎曲性能、結(jié)合強(qiáng)度及硬度等基本性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)WC涂層和DLC膜配伍的摩擦副摩擦磨損性能進(jìn)行了研究，以進(jìn)一步驗(yàn)證工藝優(yōu)化的效果。

3.1 基本性能

3.1.1 涂層厚度

采用優(yōu)化后的WC噴涂工藝加工試驗(yàn)件，并對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行解剖制備金相試樣，采用金相法測(cè)試解剖件涂層厚度，滿足涂層厚度≥100 μm的使用要求。

3.1.2 彎曲性能

制備WC涂層彎曲試樣，涂層厚度為0.23～0.25 mm，試樣彎曲角度為90°以上，彎曲后表面形貌如圖6所示?？梢钥吹剑嚇颖砻嫖窗l(fā)現(xiàn)涂層剝落，涂層與基體無(wú)分離。

圖6 碳化鎢涂層彎曲試樣表面形貌Fig.6 Surface morphology of the test piece of WC coating after bending property test

3.1.3 涂層結(jié)合強(qiáng)度

制備WC涂層試樣，依據(jù)ASTM C633測(cè)試涂層結(jié)合強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。涂層均為膠界面斷裂，涂層結(jié)合強(qiáng)度均大于68.9 MPa。

表2 涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 2 Results of the bonding strength between the coating and substrate

3.1.4 顯微硬度

對(duì)于優(yōu)化后的WC噴涂工藝加工制備的試驗(yàn)件解剖件涂層進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。其中1、2、3是水壓缸外套缸不同位置編號(hào)，如圖3所示，每個(gè)位置測(cè)6次，不同位置處6次測(cè)試結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，WC涂層滿足顯微硬度≥800HV的使用要求。

表3 解剖件涂層顯微硬度Table 3 The microhardness of the coating

3.2 摩擦磨損性能

在實(shí)際工程應(yīng)用中，為提高水壓缸外套缸和活塞環(huán)摩擦副的性能和使用壽命，對(duì)于外套缸內(nèi)壁面噴涂WC涂層，對(duì)于與其配伍的活塞環(huán)表面鍍DLC膜。為進(jìn)一步測(cè)試WC涂層效果，文中采用銷盤法開(kāi)展摩擦磨損試驗(yàn)，模擬活塞環(huán)和外套缸間的摩擦磨損行為。

采用的試驗(yàn)機(jī)和試驗(yàn)原理如圖7所示。其中上試樣銷軸材料為GH4169合金，表面制備DLC膜，試樣尺寸為φ15 mm×22 mm；下試樣材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，表面制備WC涂層，試樣尺寸為φ24 mm×7.8 mm。參考水壓缸實(shí)際工作冷態(tài)工況(室溫30 ℃)及熱態(tài)工況(254 ℃)分別進(jìn)行了涂層室溫和254 ℃條件下的摩擦因數(shù)測(cè)試，試驗(yàn)載荷40 N，往復(fù)行程1.0 mm，頻率50 Hz，往復(fù)循環(huán)不低于100萬(wàn)次。

圖7 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)原理Fig.7 Friction and wear tester and test principle

圖8顯示了摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線?？梢钥吹剑覝叵略诔跏茧A段，DLC涂層具有較為優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，摩擦因數(shù)在100 000次前維持在0.2左右，隨著時(shí)間延長(zhǎng)DLC涂層逐漸被磨損，形成了WC-12Co和GH4169的對(duì)摩，摩擦因數(shù)達(dá)到0.952。水壓缸實(shí)際工作冷態(tài)工況(室溫30 ℃)及熱態(tài)工況(254 ℃)下的平均摩擦因數(shù)值分別為0.952和1.104?？梢?jiàn)隨著溫度的上升，摩擦副間的摩擦因數(shù)逐漸增大。

圖8 不同溫度下WC-12Co涂層摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化Fig.8 Friction coefficient evolution for WC-12Co coating at different temperatures：(a)30 ℃；(b)254 ℃

圖9顯示了磨損后涂層試樣的微觀形貌。可以發(fā)現(xiàn)涂層表面存在分布均勻的犁痕，以及黏著磨損引起的摩擦副轉(zhuǎn)移，表明涂層主要磨損機(jī)制為磨粒磨損和黏著磨損。

通過(guò)稱量磨損試驗(yàn)前后的試樣質(zhì)量可以計(jì)算摩擦副的磨損速率。計(jì)算得到的WC涂層試樣室溫和254 ℃條件下的磨損速率分別為4 mg/106次和6 mg/106次，活塞環(huán)材料室溫和254 ℃條件下的磨損速率分別為16 mg/106次和15 mg/106次?？梢?jiàn)，254 ℃高溫下WC涂層材料磨損速率高于室溫狀態(tài)，而254 ℃高溫下活塞環(huán)材料的磨損速率略低于室溫狀態(tài)，該現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)制還有待進(jìn)一步深入研究。

4 WC涂層水壓缸冷態(tài)性能測(cè)試

根據(jù)3.2節(jié)研究結(jié)果，WC涂層性能隨水壓缸的使用次數(shù)(對(duì)應(yīng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作步數(shù))會(huì)發(fā)生變化，從而影響其泄漏率和摩擦阻力。為進(jìn)一步驗(yàn)證了WC涂層的可靠性及WC涂層工藝優(yōu)化的效果，對(duì)WC涂層水壓缸的冷態(tài)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了水壓缸泄漏率和摩擦阻力隨動(dòng)作步數(shù)的變化。

實(shí)際工程應(yīng)用中，水壓缸外套缸內(nèi)表面噴涂WC涂層后，再沉積一層TiN膜以進(jìn)一步提高其摩擦磨損性能。文中試驗(yàn)采用WC-TiN復(fù)合涂層的3種類型水壓缸外套缸(提升缸、傳遞缸、夾持缸)與鍍DLC膜的活塞密封環(huán)(基體材料為高溫鎳基合金GH4169)配伍后進(jìn)行水壓缸冷態(tài)性能測(cè)試，獲得了連續(xù)100萬(wàn)次往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中泄漏率和摩擦阻力的變化情況，如圖10所示?？梢钥吹剑谒畨焊?00萬(wàn)次往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，提升缸外套缸摩擦阻力在125～250 N范圍內(nèi)，泄漏率在15～35 kg/h范圍內(nèi)；傳遞缸外套缸摩擦阻力在37～100 N范圍內(nèi)，泄漏率在15～27 kg/h范圍內(nèi)；夾持缸外套缸摩擦阻力在64～90 N范圍內(nèi)，泄漏率在14～28 kg/h范圍內(nèi)，滿足工程應(yīng)用中控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸的使用要求。

圖10 往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中噴涂WC涂層水壓缸泄漏率和摩擦阻力的變化Fig.10 Variations of leakage flow rate and frictional resistance for hydraulic cylinders with WC coating during reciprocating motion： (a)lifting cylinder frictional resistance；(b)lifting cylinder leakage flow rate；(c)transfer cylinder frictional resistance； (d)transfer cylinder leakage flow rate；(e)clamping cylinder frictional resistance；(f)clamping cylinder leakage flow rate

5 結(jié)論

(1)提出的WC涂層優(yōu)化工藝有效降低了涂層應(yīng)力，并解決了涂層“龜裂紋”問(wèn)題。采用優(yōu)化后工藝加工制備的WC涂層厚度、彎曲性能、結(jié)合強(qiáng)度、顯微硬度滿足控制棒水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸的使用要求。

(2)隨著工作溫度的上升，WC涂層與DLC膜組成的摩擦副摩擦因數(shù)逐漸增大，往復(fù)循環(huán)摩擦100萬(wàn)次后，WC涂層表面出現(xiàn)分布均勻的犁痕，存在黏著磨損引起的摩擦副轉(zhuǎn)移。

(3)采用優(yōu)化后工藝加工制備的WC涂層外套缸裝配的水壓缸連續(xù)100萬(wàn)次往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中泄漏率和摩擦阻力均滿足控制棒水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的使用要求，冷態(tài)壽命可以達(dá)到100萬(wàn)次以上。