常勝平 ，王萬景，李 強(qiáng)，趙四祥，徐 躍，魏 然，彭凌劍，秦思貴，史英利，任樹貴，劉國輝，王鐵軍，羅廣南

（1.中國科學(xué)院等離子體物理研究所，合肥 230031；2.安泰科技股份有限公司，北京 100081）

鉻鋯銅（CuCrZr）合金管具有高的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率以及良好的焊接性和力學(xué)性能，在國際熱核試驗(yàn)堆（ITER）偏濾器設(shè)計(jì)中被選用為熱沉材料［1］。ITER在長(zhǎng)脈沖或穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，偏濾器部件經(jīng)受高達(dá)10～20MW／m2的穩(wěn)態(tài)熱載荷以及高束流粒子轟擊［2－3］，工作環(huán)境極為苛刻。為了保證材料批量穩(wěn)定性和部件安全，ITER組織在選用CuCrZr合金管用材料時(shí)專門制定了嚴(yán)格的質(zhì)量控制文件，除了制備工藝、化學(xué)成分控制和力學(xué)性能檢測(cè)外，每一根管在使用前還必須經(jīng)過目視和渦流無損檢測(cè)。我國大科學(xué)工程裝置“東方超環(huán)”（Experimental Advanced Superconductive Tokamak，EAST）在最新一輪的內(nèi)部部件升級(jí)改造中，將上偏濾器的摻雜石墨瓦升級(jí)為主動(dòng)水冷卻鎢／銅部件。其中，靠近打擊點(diǎn)區(qū)域的靶板采用了ITER“穿管型”部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所采用的熱沉管材為國內(nèi)生產(chǎn)，成分和檢測(cè)都符合ITER 材料文件。然而，利用目視檢測(cè)和渦流檢測(cè)方法檢測(cè)合格的CuCrZr穿管型部件，在隨后的管內(nèi)水浸超聲檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)部分部件在擴(kuò)散連接界面附近存在超標(biāo)的貫穿型帶狀缺陷。金相分析表明：該缺陷為銅管近外表面的折疊缺陷，實(shí)質(zhì)為氧化銅夾層。這種缺陷在熱等靜壓制造過程中不會(huì)愈合，將極大降低偏濾器熱沉結(jié)構(gòu)傳熱效率，阻礙靶板上熱量的移除，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致鎢的燒蝕、熔化甚至揮發(fā)，給聚變裝置安全運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)［4－5］。但是，適合部件界面檢測(cè)的管內(nèi)水浸超聲方法并不適宜原料管中近外表面缺陷的檢測(cè)，這是因?yàn)槿毕莶ê屯獗砻娴撞ǒB加在一起難以分辨。因此需要在渦流檢測(cè)的基礎(chǔ)上開發(fā)出其他有效的無損檢測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)此類缺陷在熱等靜壓工序之前能夠被檢出。

筆者首先介紹ITER 級(jí)CuCrZr管材及偏濾器部件結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的無損檢測(cè)方法，包括渦流檢測(cè)和管內(nèi)水浸超聲檢測(cè)，隨后對(duì)發(fā)現(xiàn)的ITER 級(jí)CuCrZr管內(nèi)折疊缺陷進(jìn)行檢測(cè)分析并探討新的檢測(cè)手段，同時(shí)進(jìn)行了仿真模擬。

1 檢測(cè)對(duì)象和方法

1.1 EAST鎢銅偏濾器結(jié)構(gòu)

參照ITER 偏濾器的設(shè)計(jì)，等離子體物理研究所設(shè)計(jì)的EAST 偏濾器部件及裝配結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中打擊點(diǎn)區(qū)域內(nèi)、外靶板采用類ITER 鎢銅穿管結(jié)構(gòu)（W／Cu－Monoblock），主要由鎢塊、Cu 中間層和CuCrZr管三種不同材料通過熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，HIP）焊接而成［6－7］。EAST 鎢銅穿管部件選用ITER 級(jí)CuCrZr冷拔管材，其外徑φ15mm，壁厚1.5mm，屬于小徑薄壁管材。

圖1 EAST 偏濾器部件及裝配結(jié)構(gòu)

1.2 CuCrZr管的渦流檢測(cè)

EAST 銅合金管的檢測(cè)參照（ITER）CuCrZr管材質(zhì)量控制文件，首先須目視檢查，要求管材的表面平整、光滑，避免出現(xiàn)彎曲、褶皺、孔洞、刮痕、裂紋和夾雜等缺陷，之后進(jìn)行100%渦流檢測(cè)，并檢出大于10%的壁厚減薄。參照標(biāo)準(zhǔn)GB／T 5248－2008《銅及銅合金無縫管渦流檢測(cè)方法》，制作包含通孔和壁厚減薄缺陷的試樣A 以及包含環(huán)向和軸向V 型槽的試樣B作為對(duì)比試樣。

實(shí)際檢測(cè)時(shí)，為了保證檢測(cè)到整個(gè)深度方向上的缺陷并對(duì)外表面及近外表面的缺陷保持高靈敏度，使用兩個(gè)不同探頭分別采用外穿過式和放置式進(jìn)行檢測(cè)。外穿過式探頭內(nèi)置φ15.6 mm 自比差分式線圈，系統(tǒng)校準(zhǔn)及參數(shù)設(shè)置依據(jù)試樣A 的人工缺陷，成功檢出凹坑、鼓包、夾雜、懸崖臺(tái)階及壁厚減薄等缺陷；放置式點(diǎn)探頭內(nèi)置φ3mm 絕對(duì)線圈，依據(jù)試樣B上的人工缺陷進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)及參數(shù)設(shè)置后，成功檢出超標(biāo)的環(huán)軸向劃痕、裂紋等缺陷。

1.3 鎢銅穿管部件的無損檢測(cè)

EAST 鎢銅穿管部件具有外部鎢塊不連續(xù)、管徑較小、包含兩層弧形擴(kuò)散焊接界面和整體結(jié)構(gòu)沿軸向彎曲等特征。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)擴(kuò)散焊接界面焊接質(zhì)量的無損檢測(cè)，在生產(chǎn)前開發(fā)了管內(nèi)單探頭旋轉(zhuǎn)－步進(jìn)水浸超聲檢測(cè)法。檢測(cè)系統(tǒng)采用特制的側(cè)向發(fā)射聚焦單探頭，探頭直徑6.5mm，長(zhǎng)8mm，激勵(lì)頻率15MHz，探頭側(cè)面安裝有直徑為3.2mm 的圓形陶瓷壓電晶片?？紤]部件具體情況，實(shí)際檢測(cè)時(shí)探頭通過定位工裝置于部件Cu管中以確保探頭周向穩(wěn)定，通過撓性管連接探頭定位工裝可以實(shí)現(xiàn)探頭的軸向提拉與旋轉(zhuǎn)和部件彎曲段的檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)探頭在銅管內(nèi)自下端向上勻速提拉過程中垂直于Cu管內(nèi)壁發(fā)射并采集各界面的超聲脈沖回波，到達(dá)上端后探頭旋轉(zhuǎn)5°，繼而由步進(jìn)機(jī)構(gòu)推送至下端，開始下一個(gè)掃查，完成360°掃查之后進(jìn)行C 掃描成像形成完整的超聲圖譜。

參照ITER 質(zhì)量控制文件制備了鎢銅穿管部件的對(duì)比試件：在W／Cu和Cu／CuCrZr界面處分別加工φ1mm 和φ2mm 人工平底孔缺陷。如圖2所示為Monoblock對(duì)比試樣和Cu／CuCrZr界面超聲檢測(cè)圖譜，界面上φ1mm 和φ2mm 平底孔缺陷均可被檢出。

圖2 Monoblock人工缺陷標(biāo)樣和Cu／CuCrZr界面超聲掃描圖譜

2 折疊缺陷的檢測(cè)與仿真

2.1 缺陷發(fā)現(xiàn)與分析

在穿管型W／Cu部件的試生產(chǎn)過程檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，一些部件的超聲C掃描圖呈現(xiàn)如圖3（a）所示的典型帶狀貫穿型缺陷。圖中橫坐標(biāo)表示圓周360°，縱坐標(biāo)表示W(wǎng)／Cu Monoblock縱向長(zhǎng)度，垂直于縱坐標(biāo)的橫線為W／Cu塊之間0.5mm 的間隙。圖中線型帶狀部分為缺陷，缺陷處于圓周方向220°～240°位置，寬度約為周向10°～15°，長(zhǎng)度貫穿整個(gè)W／Cu部件，在A 掃描圖中缺陷回波位于Cu／CuCrZr界面位置，僅有一個(gè)峰值。

圖3 Monoblock中折疊缺陷的超聲C掃描圖和金相圖

圖3（a）對(duì)應(yīng)的超聲A 掃描圖中的時(shí)域閘門設(shè)置時(shí)需要采集完整的Cu／CuCrZr界面回波，不僅包括Cu／CuCrZr界面，也包含部分Cu和CuCrZr基體材料。從超聲圖譜時(shí)域角度分析，推測(cè)缺陷可能為焊接界面脫粘缺陷。脫粘缺陷由于界面未焊合而存在空隙，導(dǎo)致回波幅值高于設(shè)定閾值。典型W／Cu界面脫粘的形貌圖和與其對(duì)應(yīng)的探傷圖譜如圖4（a），（b）所示。通常大面積的界面脫粘通過橫截面目視即可判定，但此部件缺陷處橫截面目視無明顯缺陷。

線切割后做橫截面光學(xué)顯微鏡分析如圖3（b）所示，可見距外表面100μm 處存在約1.7mm 長(zhǎng)度的薄層狀缺陷。在熱等靜壓擴(kuò)散焊之前，CuCrZr管外表面電鍍了暗Ni層，所以灰色的Ni層即為Cu／CuCrZr焊接界面。用于W／Cu穿管部件檢測(cè)的超聲頻率是15 MHz，垂直分辨率為毫米量級(jí)。然而，缺陷與Cu／CuCrZr界面之間距離僅有100μm，二者無法區(qū)分，兩個(gè)反射波疊加在一起形成一個(gè)回波波峰。

圖4 Cu／CuCrZr連接界面脫粘缺陷及其對(duì)應(yīng)的超聲檢測(cè)圖

橫斷面缺陷處的SEM 圖像如圖5（a）所示，開裂缺陷層中夾有細(xì)小顆粒，利用SEM 上的能量色散X 射線譜儀（EDS）對(duì)缺陷內(nèi)顆粒進(jìn)行成分分析，顯示氧含量達(dá)21%，表明缺陷實(shí)質(zhì)為氧化銅夾層。SEM 圖顯示夾層有兩種狀態(tài)，開裂和未開裂，開裂處夾層較厚（可達(dá)20μm），而未開裂處夾層較薄。沿著圖5（a）中虛線垂直于開裂夾層的EDS線掃描，反映了缺陷及周圍氧含量的分布，如圖5（b）所示。

圖5 折疊缺陷的SEM 圖及EDS線掃圖

CuCrZr管生產(chǎn)工藝的主要工序?yàn)椋赫婵崭袘?yīng)熔煉→鑄造→鑄錠修磨→850 ℃熱擠→修磨→冷拔→475 ℃×3h時(shí)效處理。其中修磨工序的目的在于去除鑄造和熱擠引入的氧化皮、劃傷、褶皺等近表面缺陷。若修磨不充分，未去除的氧化皮在冷拔時(shí)隨著金屬流變而卷入內(nèi)部，并隨著后續(xù)冷拔形變量的增大沿拉拔方向被拉長(zhǎng)，形成管材近表面的貫穿型氧化銅折疊缺陷［8］。

在HIP之前，渦流檢測(cè)未檢出大面積折疊缺陷。原因在于渦流對(duì)平行于表面的折疊缺陷不敏感。外置穿過式線圈在銅管中形成的渦流是沿著圓周方向，從外到內(nèi)逐漸由密變疏的大閉合環(huán)路；而外置旋轉(zhuǎn)式點(diǎn)探頭在銅管中形成的渦流是圍繞徑向，從外到內(nèi)逐漸由密變疏的小閉合環(huán)路。折疊缺陷平行于這兩種渦流，銅管中的渦流不會(huì)被阻斷，阻抗未發(fā)生變化，因此渦流法無法檢測(cè)出此類缺陷。針對(duì)折疊缺陷，常規(guī)的檢測(cè)方法是超聲檢測(cè)，但是由于此折疊在銅管近表面，且銅管為薄壁小徑管，超聲波檢測(cè)此類缺陷時(shí)無法區(qū)分銅管外表面反射波和缺陷波，而監(jiān)測(cè)底波衰減的方式在材料均勻、厚度一致、表面粗糙度低的情況下，在原理上可實(shí)現(xiàn)此類缺陷的檢出，因此嘗試采用超聲底波衰減的方式來檢測(cè)管材折疊缺陷。

2.2 底波衰減分析

常規(guī)的超聲底波衰減方法主要用于檢測(cè)金屬材料的晶粒尺寸不均勻性，通常使用兩次及以上反射回波計(jì)算材料的衰減系數(shù)，以此作為評(píng)判材料晶粒的依據(jù)［9］，復(fù)合材料的分層及陶瓷材料的孔洞缺陷也可通過底波衰減的方式進(jìn)行檢測(cè)［10－11］。在裂紋取向與聲束入射角平行或呈較大夾角的環(huán)件檢測(cè)中，超聲底波衰減的方法也被證明是有效的［12］。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的銅管折疊缺陷實(shí)質(zhì)是CuO 層，與CuCrZr之間存在較大的聲阻抗，造成超聲波反射，加之CuO 層使透過的聲波衰減，導(dǎo)致底面回波幅值減小，同時(shí)銅管厚度、材料均一性和表面粗糙度滿足要求，故可采用底波衰減檢測(cè)。

底波衰減檢測(cè)采用水浸超聲檢測(cè)系統(tǒng)，將銅管置于水槽中兩根等徑的傳動(dòng)軸之間，傳動(dòng)軸同向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)銅管勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。頻率15MHz、焦距50.8mm 的聚焦探頭置于銅管正上方，并沿著銅管軸向勻速運(yùn)動(dòng)。調(diào)高增益以確保足夠的檢測(cè)靈敏度，采集底波并用色譜標(biāo)識(shí)波幅高低完成C掃描成像。

三個(gè)不同CuCrZr管的超聲底波C 掃圖如圖6所示。銅管Ⅰ的底波C 掃描成像圖中無明顯缺陷，對(duì)照A 掃波形圖可得整個(gè)樣品的底波幅值約80%屏高。任意線切三處，觀察橫斷面金相均未見折疊缺陷，如圖6（a）所示。圖6（b）中銅管Ⅱ的底波C掃描成像可見輕微折疊缺陷1＃和2＃，1＃處底波幅值約為62%屏高，2＃處的波幅為52%屏高，無缺陷處波幅為80%屏高。沿著圖中黑色實(shí)線進(jìn)行線切，橫截面顯微金相可見兩條較薄的未開裂折疊缺陷，折疊形貌如圖7（a）所示，測(cè)量知折疊沿圓周延伸的尺寸分別為1.7mm 和2.4mm（13°和18°）。圖6（c）為銅管Ⅲ的底波C掃描成像，可見兩條折疊缺陷3＃和4＃，其中3＃較窄，底波幅值為50%屏高，4＃較寬，幅值為30%屏高；沿著圖中黑色虛線處線切后斷面金相如圖7（b）所示，折疊形貌包含兩部分：開裂部分和未開裂部分。測(cè)量折疊沿圓周延伸的長(zhǎng)度尺寸：折疊3＃開裂部分沿圓周長(zhǎng)約0.5 mm（4°），未開裂部分約2.5mm（19°）；折疊4＃開裂部分長(zhǎng)約1.1mm（8°），未開裂部分約6.6 mm（50°）。實(shí)際缺陷尺寸、超聲C掃圖中測(cè)量的尺寸及對(duì)應(yīng)的底波衰減幅度數(shù)值如表1所示，可見此種檢測(cè)條件下超聲底波檢測(cè)C 掃圖中顯示的缺陷尺寸與實(shí)際缺陷大小吻合得很好，而且缺陷尺寸與超聲底波衰減幅值呈較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。故測(cè)量超聲底波衰減的方式對(duì)于CuO 折疊缺陷的檢測(cè)可靠有效。

圖6 三個(gè)CuCrZr管樣品的超聲掃描圖譜

表1 缺陷尺寸與衰減幅值對(duì)應(yīng)表

圖7 圖6（b），（c）對(duì)應(yīng)的金相圖

2.3 超聲仿真

檢測(cè)時(shí)由于氧化銅折疊缺陷的特殊性，難以制作相應(yīng)的人工缺陷作為參照，采用超聲仿真的方法可以模擬折疊引起的聲波反射和衰減，表征缺陷性質(zhì)，對(duì)比驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果并確定檢測(cè)靈敏度［13］。采用法國原子能委員會(huì)開發(fā)的CIVA 仿真軟件超聲模塊［14］。管壁內(nèi)CuO 折疊缺陷厚度設(shè)定為5μm，距離外表面100μm。銅管基體衰減系數(shù)設(shè)為0，無缺陷時(shí)，底波幅值為100%。探頭及入射超聲波參數(shù)設(shè)置與實(shí)際相同情況下，進(jìn)行超聲波B掃描仿真。

2.3.1 周向角度20°CuO 折疊缺陷的超聲衰減

設(shè)定管內(nèi)厚度為5μm，周向角度20°的為開裂折疊缺陷，仿真計(jì)算后得到的超聲圖譜如圖8所示，左上是B掃圖，左下是B掃圖中十字指針位置的A掃波形圖，右邊是3D 視圖。在無缺陷位置，底波的幅值為100%，缺陷位置底波幅值為66%，考慮由于銅管造成的底波衰減為20%，因此實(shí)際衰減幅值為27.2%。對(duì)比圖6（b）中自然缺陷2?？芍獙?shí)際衰減幅值與仿真結(jié)果相近，進(jìn)一步驗(yàn)證了檢測(cè)結(jié)果。

圖8 周向角度20°的氧化物折疊缺陷超聲仿真

2.3.2 缺陷最小可檢尺寸

實(shí)際檢測(cè)的最小可檢尺寸，是通過逐步縮小角度的仿真計(jì)算而得到的。依次對(duì)周向20°、7.5°、4°和1°大小的缺陷造成的底波衰減幅值進(jìn)行仿真，得折疊周向角度4°時(shí)底波衰減幅度為16%，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)可以較好的辨別。因此從仿真角度，5μm 厚度的CuO 折疊缺陷的最小可檢尺寸為周向4°，即周向長(zhǎng)度為0.5mm，表明底波衰減檢測(cè)方式對(duì)這種缺陷具有較高靈敏度。

3 結(jié)論

EAST 鎢銅偏濾器部件無損檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)ITER級(jí)CuCrZr管材近表面折疊缺陷，該缺陷會(huì)阻礙熱沉結(jié)構(gòu)的傳熱，致使靶板溫度過高，造成鎢的燒蝕、熔化甚至揮發(fā)。在常規(guī)渦流檢測(cè)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)此類缺陷檢出的情況下，嘗試了應(yīng)用水浸超聲底波衰減檢測(cè)法且成功檢測(cè)出此類缺陷。同時(shí)，通過超聲仿真驗(yàn)證一定角度的折疊缺陷的底波衰減，模擬結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)較為一致。在EAST 鎢銅偏濾器部件的制造過程中，采用渦流檢測(cè)并結(jié)合超聲波衰減檢測(cè)的方式，成功地控制了熱沉銅管的質(zhì)量。此研究也為完善ITER 偏濾器熱沉水管無損檢測(cè)方法提供了借鑒。

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