https://doi.org/10.1016/j.wear.2025.206408
一、研究背景
核动力作为清洁能源的重要组成部分，压水堆（PWRs）占全球核电机组的 70% 左右。锆合金燃料包壳是防止放射性物质泄漏的第一道屏障，但其与支撑格架在冷却剂循环引发的流致振动下易发生微动磨损，全球约 65% 的燃料包壳失效与此相关。温度是影响微动磨损行为的关键因素，但锆合金微动损伤的温度依赖机制及接触界面微观结构演变尚不明确。本研究旨在系统探究室温（RT）、150℃和 320℃下 Zr-4 合金包壳管的微动磨损行为与微观结构变化，为优化核反应堆关键部件设计、延长使用寿命提供科学依据。
二、实验方案
实验材料：选用 PWRs 常用的 Zr-4 合金管作为研究对象，其化学成分为 Zr 97.93wt%、Sn 1.5wt%、Fe 0.2wt%、Cr 0.09wt%，其余为杂质。该合金初始为无孪晶等轴晶结构，平均晶粒尺寸约 6μm，晶粒边界大部分取向差超过 10°，呈完全再结晶状态。
摩擦磨损测试：采用自行设计的微动磨损装置，模拟燃料包壳与支撑格架的管 - 管接触模式。实验参数设定为：位移振幅 100μm、法向载荷 10N、频率5Hz、循环次数 10,000 次，温度分别控制为室温、150℃和 320℃（温度稳定性 ±3℃）。每个温度条件下进行 3 组平行实验以保证重复性。
表征手段：通过白光干涉仪测量磨损体积与磨痕轮廓；利用扫描电子显微镜（SEM）观察磨痕表面及截面形貌；采用能谱仪（EDS）、电子探针微分析仪（EPMA）分析化学成分与元素分布；借助聚焦离子束（FIB）制备透射电子显微镜（TEM）样品，结合透射菊池衍射（TKD）技术表征接触界面下的微观结构。
三、 结果
摩擦学特性演变：摩擦系数（COF）：室温下 COF 呈 “上升 - 稳定” 两阶段变化，150℃和 320℃下则经历 “快速上升 - 下降 - 缓慢上升 - 稳定” 四阶段过程。实验结束时，320℃下COF 最高，室温次之，150℃最低。
能量耗散（Ed）：三种温度下 Ed 均在初始100 cycles 快速增长，1000 cycles 后趋于稳定。320℃时 Ed 全程最高，150℃时最低，表明 320℃下磨损损伤最严重。
磨损体积：随温度升高呈 “先减后增” 趋势，150℃时达到最小值1.24×10⁻³mm³，320℃时达到最大值 2.72×10⁻³mm³，较 150℃增加 119.35%，较室温增加 70%。
磨痕形貌与磨损机制
室温：磨痕边缘堆积大量片状磨损碎屑，未完全覆盖表面，裸露区域可见沟槽、微裂纹及剥离坑，以磨粒磨损为主，伴随轻微疲劳磨损。150℃：磨损碎屑细化并形成致密保护层，磨痕边缘因材料转移出现深色区域，adhesive wear 有所增强，但致密碎屑层有效缓解了磨粒磨损，使整体磨损程度最轻。320℃：磨痕出现大量亮白色剥离坑，截面观察显示第三体层呈层状结构，且存在大量从表层向基体扩展的微裂纹，主要磨损机制转变为疲劳磨损（剥离）、氧化磨损和 adhesive wear，磨损最严重。
图5：不同温度下磨损疤痕表面的SEM图像和EDS元素，（a, e） RT, (b, f) 150℃，（c, g） 320℃
微观结构演变
TEM与 TKD 分析表明，320℃下微动接触界面下方形成平均晶粒尺寸约 0.5μm 的纳米晶结构，远小于初始晶粒尺寸。该区域高角度晶粒边界占比显著增加，证实发生了微动诱导动态再结晶。而室温与 150℃下未观察到明显的晶粒细化现象。
四、机理分析
温度诱导磨损机制转变：温度升高导致 Zr-4 合金磨损机制从室温的磨粒磨损，经 150℃的 “磨粒磨损 - adhesive wear” 过渡，最终在 320℃演变为以疲劳磨损（剥离）为主。150℃时形成的致密碎屑层起到减磨作用，而 320℃下高温加剧了材料软化与氧化，促进了 adhesive wear 和微裂纹萌生。
动态再结晶的成因与影响：再结晶温度条件：通过闪温公式计算，320℃微动过程中接触界面平均闪温可达 554℃，超过 Zr-4 合金的临界再结晶温度（530℃），为再结晶提供了温度基础。再结晶时间条件：考虑闪温下的等温保持效应，结合再结晶激活能计算，Zr-4 合金在 554℃下完成再结晶仅需 0.38h，满足实验周期内的时间要求。对磨损行为的影响：动态再结晶形成的纳米晶结构虽提高了材料硬度，但降低了塑性与韧性，使材料在循环载荷下易产生疲劳裂纹，裂纹扩展与合并最终导致严重剥离，加剧磨损损伤。
五、研究结论
温度显著影响 Zr-4 合金的微动磨损特性，COF、Ed和磨损体积均随温度呈现规律性变化，320℃下磨损损伤最严重，150℃下磨损最轻。
磨损机制随温度发生转变：室温以磨粒磨损为主，150℃依赖致密碎屑层的保护作用，320℃以疲劳磨损（剥离）、adhesive wear 和氧化磨损为主。
320℃下微动诱导的动态再结晶是导致磨损加剧的关键因素，闪温提供了再结晶所需的温度条件，反复塑性变形提供了能量基础，纳米晶的形成促进了疲劳裂纹的萌生与扩展。
