ITER內(nèi)部ELM線圈導體殘余應力的分析與改善

李向賓，金 環(huán)

（1.中國科學院等離子體物理研究所，安徽合肥230031；2.中國國際核聚變能源計劃執(zhí)行中心，北京100038）

在核聚變堆的堆芯等離子體邊緣有一種危險的磁流體擾動模式，稱為邊緣局部模（ELM）。這種磁流體模式除了引起等離子體約束性能變差之外，其瞬態(tài)“高能量流”還會導致真空室（核反應器）第一壁（FW）局部燒蝕或消融，從而使真空室的包容（核燃料）功能失效。為有效控制邊界局域模，減小邊界局域模對真空室第一器的破壞，國際熱核聚變堆（ITER）真空室第一壁后面將嵌入一組ELM線圈，對邊界局域模進行主動控制。由于ELM線圈安放在真空室內(nèi)部，又稱為真空室內(nèi)部線圈（Invessel Coil），這種特殊的服役環(huán)境（中子輻照和等離子體熱輻射雙重影響），要求ELM線圈具有較高的機械性能。ITER裝置ELM線圈原型樣件由中方研制，本文介紹研究團隊為提高線圈機械性能、改善加工過程中殘余應力而采用的工藝方法。

殘余應力是一種內(nèi)應力，是指產(chǎn)生應力的各種因素不復存在時（如外加載荷去除、加工完成、溫度已均勻、相變過程終止等），由于形變、體積變化不均而殘留在構件內(nèi)部并自身保持平衡的應力［1］。殘余應力對材料的疲勞強度、靜強度等均有重大影響，例如材料表面的拉應力能引起疲勞裂紋的形成和擴展；相反，若表面存在壓應力，則將能延緩或抑制這種擴展。確定殘余應力的大小，調整殘余應力的分布，對減少和消除殘余應力對工程的危害具有重要的意義［5］。

ITER裝置邊界局域模（ELM）線圈主要由外部鎧甲（Inconel 625）、氧化鎂絕緣材料及內(nèi)部銅導體（CuCrZr）三部分組成［2］。ELM線圈預計累計承受輻照量將達3 000MGy，最高承受溫度400℃［2］，因此要求其具有較高的機械性能。在ELM線圈的加工制造過程中，導體成型工藝和線圈繞制工藝將對線圈外部鎧甲及內(nèi)部銅導體殘余應力的產(chǎn)生和分布產(chǎn)生重要影響，從而進一步影響線圈整體的機械性能。因此，充分研究上述兩種工藝與殘余應力分布的主要關系，采用熱時效的方法進行殘余應力改善研究，對進一步優(yōu)化ELM線圈的加工制造工藝，提升ELM線圈的機械性能具有重要意義。

1 盲孔法基本原理

盲孔法［3，4］是工程中應用最多的一種半破壞性殘余應力測量方法，利用一種特殊的應變花測量鉆孔釋放的殘余應變，通過理論分析或有限元的方法建立測得的應變與試件內(nèi)部的殘余應力之間的關系。

在實際測試中，如圖1所示，應首先定位應變花“P”點，再選取測試點“O”鉆孔，“O”點釋放的殘余應力將使定位于“P”點的應變花發(fā)生位移（如圖2所示），應變儀將根據(jù)應變花位移情況測量“O”點的殘余應力。

圖1 “O”點及鄰近區(qū)域應力分布假設Fig.1 The Postulated Stress Distribution of“O”and its adjacent area

圖2 “O”點處3個不同方向的應變片（花）分布Fig.2 Rosette Distribution in three directions for“O”

如圖1所示，“O”點處的殘余主應力可表示為σ1和σ2，在距“O”點半徑為R的P點處σr和σt分別表示鉆孔釋放徑向應力和切向應力。σr與σ1的夾角為θ。σ1和σ2根據(jù)以下公式推導得出：

式中，ε1，ε2，ε3分別為3軸應變花3個不同方向的殘余應力釋放應變。E，r為材料常數(shù)。ε1，ε2，ε3由應變計測試得出。

2 實驗介紹

2.1 樣品選取

為準確分析導體成型工藝、線圈繞制工藝對外部鎧甲和內(nèi)部銅導體殘余應力的影響，在實驗中選取了三個獨立的導體樣品進行應力分析：A樣品為一段200mm長的直段導體，用于分析導體成型工藝對外部鎧甲和內(nèi)部銅導體殘余應力的影響。B樣品為一段R型彎曲導體（215mm，θ=90°），用于分析經(jīng)成型、繞制工藝后的外部鎧甲和內(nèi)部銅導體殘余應力分布情況，同時與A樣品測試結果做出比較，進一步分析繞制工藝對應力分布情況的影響。為便于分析和比較，選用與B樣品完全相同的C樣品，用于測試熱時效處理工藝對經(jīng)成型、繞制后的線圈殘余應力分布的改善效果。此外，為分析導體成型工藝對外部鎧甲材料殘余應力分布的影響，實驗中也測試了成型前的外部鎧甲材料殘余應力的分布情況。

對于A樣品，在外部鎧甲上任意選取兩個測試點測試鎧甲殘余應力，經(jīng)移除鎧甲后在內(nèi)部銅導體上同樣任意選取兩個測試點，測試內(nèi)部銅導體的殘余應力。B、C樣品外部鎧甲的測試位置測試點相同，如圖3所示，在樣品上分別選取了彎曲半徑的最外側、最內(nèi)側以及與內(nèi)外側互成90°上方的各三個點。點1與點2之間的夾角為15°，點2與點3之間的夾角為30°。對經(jīng)去除外部鎧甲后的B、C樣品的內(nèi)部銅導體采取了與外部鎧甲同樣的選點方式。圖4顯示了對B、C樣品移除外部鎧甲前（左）后（右）的測試點進行定位的過程。

圖3 B、C樣品外部鎧甲測試點分布示意圖Fig.3 The Testing Point Distribution on the Outer-Jacket of B、C samples

圖4 對B、C樣品移除外部鎧甲前（左）后（右）的測試點進行定位Fig.4 The Positioning of Testing Points for the Outer-Jacket and inter-Conductor for B and C Samples

2.2 盲孔法測試殘余應力

盲孔法測試殘余應力的主要步驟及其影響因素包含以下方面：

工件表面的處理：由于氧化層、油污等污染物對于應變花的粘貼質量至關重要，所以對待測量點需要預先使用砂紙進行打磨，裸露出新鮮的金屬表面，并使用酒精或者丙酮等進行清理。

粘貼應變花：在此之前需確保應變花的質量及應變花的角度分布，確保粘貼位置及角度準確，最大限度確保后續(xù)計算過程的準確性。

焊接導線：采用焊接的方法連接粘貼好的應變花與應力測試儀設備，在應變花的敏感柵位置覆蓋絕緣膠帶且將連接的導線分開，以確保在進行鉆孔等操作步驟時不會出現(xiàn)金屬碎屑等損傷應變花或者引起其短路現(xiàn)象，從而影響測試結果。

安裝鉆孔裝置：安裝鉆孔裝置于工件表面，并從放大鏡里觀察使鉆頭對準應變花的中心位置。固定鉆孔裝置，防止在操作過程中出現(xiàn)松動等現(xiàn)象影響測試結果。

鉆孔：在應變花的中心位置鉆孔（鉆孔直徑1.5mm，深度2mm），如圖5所示，其間應盡可能保證鉆頭垂直于工件表面，鉆到預定孔深的時候拔出鉆頭。讀取測得的穩(wěn)定數(shù)據(jù)并記錄。

圖5 對B、C樣品外部鎧甲上的測試點進行鉆孔Fig.5 Hole Drilling on the testing point of Outer-Jacket of B and C Samples

2.3 熱時效處理工藝

實驗中將C樣品加熱至550℃并在此溫度下保持溫度2h，以1.3℃／min速度在空氣環(huán)境下降至室溫。在實驗過程中，使用三個熱電偶分別測試加熱爐、外部鎧甲及內(nèi)部銅導體的溫度變化。如圖6（左）所示，外部鎧甲與內(nèi)部銅導體升溫階段的溫度變化基本相同。（當導體溫度達到550℃時，實際爐溫約560℃）。圖6（右）及表1顯示導體在21：43：18到21：48：56期間的溫度變化情況。

圖6 C樣品熱時效處理溫度變化曲線Fig.6 Temperature Curve for C samples during the Heat Treatment

表1 不同時間段的冷卻速度分布Table 1 The Average Cooling Speed during Different Phases

3 測試結果與分析

熱時效處理緩解殘余應力實驗結果如表2所示：

根據(jù)表2可計算得出，A樣品外部鎧甲的平均σ1為128.09MPa，平均σ2為68.89MPa，較縮徑前的外部鎧甲材料殘余主應力分別增加了104.0%和40.1%，內(nèi)部銅導體的平均σ1為62.40MPa，平均σ2為21.25MPa，為外部鎧甲的48.7%和30.9%，A樣品外部鎧甲與內(nèi)部銅導體的平均σ1差為66.05MPa，平均σ2差為47.64MPa；B樣品外部鎧甲的平均σ1為99.38MPa，平均σ2為53.93MPa，較A樣分別減少了22.4%和21.7%，內(nèi)部銅導體的平均σ1為75.26MPa，平均σ2為13.18MPa，較A樣品平均σ1增加了20.1%，平均σ2減少了37.9%，B樣品外部鎧甲與內(nèi)部銅導體的平均σ1差為24.12MPa，平均σ2差為40.75MPa；C樣品外部鎧甲的平均σ1為51.37MPa，σ2為22.00MPa，較B樣品分別減少了51.7%和40.8%，C樣品的內(nèi)部銅導體平均σ1為24.33MPa，σ2為6.03MPa，較B樣品分別減少了32.3%和45.8%，C樣品外部鎧甲與內(nèi)部銅導體的平均σ1差為27.07MPa，平均σ2差為15.97MPa。上述結果說明：導體成型增加了外部鎧甲的殘余應力，經(jīng)線圈繞制后，線圈外部鎧甲、內(nèi)部銅導體的主殘余應力得到一定的緩解。經(jīng)對繞制后的線圈進行熱時效處理后，線圈外部鎧甲和內(nèi)部銅導體的主殘余應力得到顯著降低。此外，線圈繞制工藝、熱時效處理能夠使線圈外部鎧甲與內(nèi)部銅導體殘余應力趨于均勻化，在均勻化之后，外部鎧甲與內(nèi)部銅導體的平均σ1差為27.07MPa，平均σ2差為15.97 MPa，較導體成型工藝后的平均應力差分別降低了38.98MPa和31.67MPa。

表2 盲孔法測試的殘余應力結果Table 2 The Residual Stress Testing Results by applying Hole Drilling Methold

圖7 外部鎧甲（Inconel 625）在A、B、C樣品上的σ1分布Fig.7 σ1Distribution on the Outer-Jacket for A，B and C Samples

圖8 導體（CuCrZr）在A、B、C三種狀態(tài)下的σ1應力分布Fig.8 σ1Distribution on the Inter-Conductor for A，B and C Samples

根據(jù)圖7、圖8顯示，結合圖3可得出σ1的分布情況：A樣品的外部鎧甲和內(nèi)部銅導體的主殘余應力分布較均勻，平均約128.08MPa和62.4MPa。B樣品的外部鎧甲和內(nèi)部銅導體的最大殘余主應力為134.17MPa和127.10MPa，均出現(xiàn)在外部鎧甲和導體的內(nèi)外側互成90°最上方處，即“Ⅲ”點（見圖3），最小殘余主應力49.47MPa和19.69MPa，分別出現(xiàn)在外部鎧甲最外側中間位置“2”點處和導體的最外側上方位置“3”點處。C樣品的外部鎧甲和內(nèi)部銅導體的最大殘余主應力為73.06MPa和35.67MPa，出現(xiàn)在外部鎧甲最內(nèi)側中間位置“2”點處和導體最內(nèi)側下方“1”點處，最小殘余應力均出現(xiàn)在外部鎧甲和導體的最外側中間位置“2”點處。由表2可知，σ2的分布情況與σ1類似。上述結果表明：ELM線圈外部鎧甲和內(nèi)部銅導體的最外側為殘余應力較小區(qū)域。熱時效處理工藝對線圈的殘余應力分布具有重要影響，經(jīng)縮徑、彎曲工序后，未熱時效處理前，在線圈彎曲處（215mm，θ=90°），線圈外部鎧甲和內(nèi)部銅導體的最大殘余主應力分布在鎧甲和導體的內(nèi)外側互成90°最上方處，經(jīng)熱時效處理后，鎧甲和導體的內(nèi)外側互成90°最上方處最大殘余主應力顯著降低，外部鎧甲和內(nèi)部銅導體的最內(nèi)側區(qū)域相對成為最大殘余主應力分布區(qū)域。

4 結論

（1）導體成型的冷變形工藝會使得導體鎧甲及內(nèi)部銅導體的殘余應力增加，相比于成型前殘余主應力會增加1倍以上。線圈繞制工藝能夠降低線圈外部鎧甲、內(nèi)部銅導體的約20%。熱時效處理工藝能夠顯著緩解繞制后的ELM線圈殘余應力，線圈外部鎧甲、內(nèi)部銅導體的殘余應力能降低約40%。

（2）線圈繞制工藝、熱時效處理能夠使線圈外部鎧甲與內(nèi)部銅導體殘余應力差趨于均勻化，在均勻化之后，外部鎧甲與內(nèi)部銅導體的平均σ1差為27.07MPa，平均σ2差為15.97MPa，較導體成型工藝后的平均應力差分別降低了38.98MPa和31.67MPa。

（3）ELM線圈外部鎧甲和內(nèi)部銅導體的最外側為殘余應力較小區(qū)域。

（4）550℃恒溫2h并快冷的熱時效工藝能夠降低并均勻化ELM線圈外部鎧甲和內(nèi)部銅導體的最大殘余主應力，使得其鎧甲及內(nèi)部銅導體的殘余應力得到顯著改善。

［1］ 張霜銀，林鑫，陳靜，等.熱處理對激光立體成形TC4殘余應力的影響［J］.稀有金屬材料與工程，2009，38（5）.

［2］ Edward Daly.Overview of the ITER In-Vessel Coils［R］.ITER Organization，2013.

［3］ Rendler N J，Vigness I.Hole-Drilling Strain-Gage Method of Measuring Residual Stresses［J］.Exp.Mech，1966，6（12）：577-586.

［4］ Lu J，F(xiàn)lavenot J F.Applications of the Incremental Hole-Drilling Method for Measurements of Residual Stress Distribution［J］.Exp.Tech，1989，13（11）：18-24.

［5］ 戴福隆，亞敏，謝惠民，等.云紋干涉與鉆孔法測量殘余應力的實驗方法與系統(tǒng)［J］.實驗力學，2003，18（3）.