Hastelloy C-276合金与硅钢间的瞬态接触换热实验研究

朱智，张立文，顾森东

(大连理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连，116023)

Hastelloy C-276合金是一种镍基高温合金，具有优良的耐腐蚀性能和高温力学性能，因此，Hastelloy C-276合金在化工、航空和核电等领域得到了广泛应用[1-2]。目前，国家正积极引进第3代AP1000核电技术。转子屏蔽套是AP1000核主泵中的关键部件，它是Hastelloy C-276合金板材经剪切、滚弯、焊接、胀形和矫形工序制造而成，再通过热套装工艺装配到转子上，可以有效防止转子部件与泵内的冷却剂接触，避免其受到冷却剂侵蚀[3]。在热套装过程中，转子屏蔽套与转子硅钢片间的接触换热将直接影响其内部的温度场，进而影响其内部的应力－应变场，并最终影响转子屏蔽套的装配质量、使用性能和寿命，接触换热系数也是影响转子屏蔽套热套装过程数值模拟结果准确性的重要参数。近年来，国内外学者利用稳态法对不同材料间的接触换热进行了研究，获得了一些有价值的实验数据[4-9]。然而，实际热套装过程中，转子屏蔽套与转子硅钢片间的接触换热属于瞬态接触，其物理机制与稳态接触换热有很大区别，因而，不能采用稳态法对其进行研究。现有研究对瞬态接触换热过程的研究甚少，Beck等[10]分析了瞬态接触过程，给出了界面平均温度的解析表达式，并采用非稳定表面元(USE)法求解线性瞬态接触换热问题。Fieberg等[11]利用红外测温仪对不同温度的铝合金和钢接触后的瞬态温度场进行测量，通过求解瞬态热传导方程得到瞬态接触换热系数。邢磊等[12-13]利用自制的瞬态接触换热系数测量装置研究了TP2铜与3Cr2W8V模具钢、7050变形铝合金和5CrMnMo模具钢的瞬态接触换热行为。目前为止，Hastelloy C-276合金与硅钢间的瞬态接触换热方面的研究还未有报道。本文作者利用自制的瞬态接触换热系数测量装置[12]对Hastelloy C-276合金与硅钢间的瞬态接触换热行为进行研究，以便为核主泵转子屏蔽套的热套装及其数值模拟研究提供数据参考。

1 实验方法

图1所示为瞬态接触换热系数测量装置原理。实验装置主要由加热系统、传动机构、加载装置和温度采集系统4部分组成。加热系统的最高加热温度可以达到1 000 ℃，加载装置最高载荷可以达到30 MPa。带自动增益的高速A/D转换卡通过16通道的前端放大板将测温热电偶的电压信号输入采集软件，实现模拟量与数字量的转换。

实验前，将Hastelloy C-276合金和硅钢加工成直径20 mm、长度50 mm的圆柱试样，并在试样的侧面沿轴线方向打3个直径为1 mm、深度10 mm的热电偶插孔，3个孔距离待接触面分别为1，6和11 mm，作为近表面测温点、校核测温点和内部测温点。然后用400号砂纸将试样的待接触面打磨平整。实验采用的热电偶为经校准的镍铬-镍硅裸端式热电偶，直径为1 mm，响应时间为0.01 s。

实验时，试样外侧缠绕绝热石棉布，尽量减少其与空气的对流换热和辐射换热。将高温试样与低温试样分别置于加热炉内，各自升至一定温度并保温一段时间，使试样初始温度分布均匀。然后，利用传动机构使两试样快速接触，预先设定的载荷由加载装置施加到接触面上。与此同时，温度采集系统通过测温热电偶、前端放大板和A/D转换卡对试样内部各测温点的温度进行实时采集与显示。

考虑到试样外测的绝热效果，近似认为热量沿试样轴线方向传递。根据 Beck提出的非线性估算方法[14-16]，建立1维瞬态热传导的反传热模型，并编制Fortran隐式差分计算程序，利用θ11、θ13、θ与θ23这4组温度数据推算两试样接触面温度θH和θL及界面热流密度。这2试样在某一时刻τ的接触换热系数可由式(1)计算得到：

其中：hc(τ)为τ时刻的瞬态接触换热系数(kW/m2·℃)；q(τ)为τ时刻的界面平均热流密度(kW/m2)；Δθ(τ)为τ时刻的界面温差(℃)。

图1 实验装置原理图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

2 实验结果与分析

利用上述实验方法对Hastelloy C-276合金与硅钢试样间的接触换热进行测试。由于在热套装过程中，转子屏蔽套需加热到高温，而转子硅钢片保持在室温，所以，实验中，Hastelloy C-276合金为高温试样，硅钢为低温试样。

2.1 瞬态温度场

根据传热学理论，这2个不同初始温度的试样接触后，界面处将发生剧烈的热量交换，试样内部温度场将重新分布。图2为Hastelloy C-276合金与硅钢接触后试样内部温度随时间的变化情况。图 2中：θ11和 θ13分别表示高温试样内部测温点和近表面测温点的实测温度；θ21和θ23分别表示低温试样内部测温点和近表面测温点的实测温度；θH和θL分别表示高温试样与低温试样的接触表面温度的计算值；Δθ表示试样间的接触界面温差。从图中可以看出，接触发生后，界面处温度变化剧烈，短时间内升温降温幅度达到了100～200 ℃，在10 s时，试样间的接触界面温差为68℃；随着时间的延长，高温试样的温度进一步降低，低温试样的温度进一步升高，界面温差逐渐减小，在60 s时，界面温差为30 ℃；在100 s时，界面温差为22 ℃，并且逐渐趋于稳定。

图2 Hastelloy C-276合金与硅钢接触后试样内部温度随时间的变化Fig.2 Variation of inner temperature with time for Hastelloy C-276 and silicon steel

图3 所示为校核测温点温度的实测值与计算值的比较。图中，θ12和θ22分别表示高温试样与低温试样的校核测温点的温度，其中，实线代表校核测温点温度的实测值，虚线代表计算值，对比发现，不论是Hastelloy C-276合金试样还是硅钢试样，校核测温点处的实测温度与计算温度都能够吻合的很好，验证了测量装置和方法的可靠性。

图3 校核测温点温度的实测值与计算值的比较Fig.3 Comparison of measured and calculated temperature at verification position

考虑到界面温差随时间的延长逐渐减小，而不断减小的界面温差将使后续计算产生较大偏差，因此，本文仅考虑试样接触后60 s内的接触换热。

2.2 瞬态接触换热系数

由式(1)可知，界面热流密度与界面温差决定了接触换热系数的大小。图4所示为Hastelloy C-276合金与硅钢接触后热流密度和接触换热系数随时间的变化情况。从图 4(a)可见：试样接触后，界面热流密度在1.5 s便达到了峰值(648.69 kW/m2)，然后迅速下降。5 s后，热流密度的下降开始变得缓慢，接触换热系数在这段时间内快速增大，达到峰值(4.50 kW/(m2·℃))，如图4(b)所示。这是由于在接触载荷的作用下，接触界面上的微小接触体将发生弹性或塑性变形，使实际接触面积增大，界面换热能力提高。

此外，从图4(b)也可以看出：曲线存在一定程度的波动，且随着时间的增加，波动幅度有增大的趋势，原因主要有2个方面：第一，温度信号采集速度较快，相邻时刻的温度测量值会产生波动，外界干扰对温度数据也会产生一定影响；第二，随着时间增加，界面温差及热流密度逐渐减小，计算误差增大。经平滑滤波后发现，接触换热系数在达到峰值后，随着时间得延长，略有下降，并逐渐趋于稳定，多组测试结果也验证了这一变化规律。

图4 热流密度和接触换热系数随时间的变化Fig.4 Variation of heat flux and thermal contact conductance with time

2.3 试样初始温度对接触换热系数的影响

在瞬态接触换热过程中，试样的初始温度是影响接触换热系数的关键因素之一。考虑到在核主泵转子屏蔽套的热套装过程中，转子的初始温度为室温，而转子屏蔽套的初始温度是可以变化的，Hastelloy C-276合金试样初始温度对Hastelloy C-276合金与硅钢间接触换热的影响如图5所示。具体的实验条件是：Hastelloy C-276合金试样的初始温度分别为400，600和800 ℃，硅钢试样的初始温度为30 ℃，接触载荷为7.8 MPa。

从图5可以看出：对于不同的实验条件，实验得到的接触换热系数随时间变化的规律基本一致。此外，接触换热系数随着温度的升高而增大，且高温时，接触换热系数随温度增大的趋势更大。这是因为随着温度的升高，材料的屈服强度和弹性模量降低，导致在加载时，试样接触表面上的微小接触体将发生更大的变形，使实际接触面积增大，界面换热能力提高。

图5 Hastelloy C-276合金试样的初始温度对接触换热系数的影响Fig.5 Effect of initial temperature of Hastelloy C-276 specimen on thermal contact conductance

2.4 接触载荷对接触换热系数的影响

接触载荷是影响界面间瞬态接触换热的另一重要因素。接触载荷对Hastelloy C-276合金与硅钢间接触换热的影响如图6所示。具体的实验条件是：Hastelloy C-276合金试样的初始温度为400 ℃，硅钢试样的初始温度为30 ℃，接触载荷分别为3.12，5.46，7.8和9.36 MPa。

图6(a)所示为不同接触载荷条件下接触换热系数随时间的变化。从图 6(a)可以看出：接触换热系数随接触载荷的增大而增大。这是由于当接触载荷增大时，试样表面微小接触体的变形程度增大，实际接触面积增加，换热能力增强，热流密度增大。

图6(b)为接触换热稳定时(20 s)，接触换热系数与接触载荷之间的关系。对实验值拟合后发现，接触换热系数与接触载荷近似呈e指数关系，关系式为：

图6 接触载荷对接触换热系数的影响Fig.6 Effect of contact pressure on thermal contact conductance

其中：hc为接触换热系数(kW/(m2·℃))；p为接触载荷(MPa)；A 和B为常数，A为 0.418 kW/(m2·℃)，B 为0.291 MPa-1。

3 结论

(1) 试样校核测温点温度的实测值与计算值基本吻合，表明测量装置和方法可靠。

(2) 接触发生后，接触换热系数在很短的时间内快速增大，随着时间的延长，逐渐趋于稳定。

(3) 保持接触载荷不变，接触换热系数随着Hastelloy C-276合金试样初始温度的升高而增大；保持Hastelloy C-276合金试样的初始温度不变，接触换热系数随接触载荷的增大而增大，且当接触换热达到稳定时，接触换热系数与接触载荷近似呈指数关系。

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