CuCrZr合金冷拔薄壁管內(nèi)部折疊缺陷檢測與仿真

常勝平 ，王萬景，李 強，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率、電導率以及良好的焊接性和力學性能，在國際熱核試驗堆（ITER）偏濾器設(shè)計中被選用為熱沉材料［1］。ITER在長脈沖或穩(wěn)態(tài)運行時，偏濾器部件經(jīng)受高達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合金管用材料時專門制定了嚴格的質(zhì)量控制文件，除了制備工藝、化學成分控制和力學性能檢測外，每一根管在使用前還必須經(jīng)過目視和渦流無損檢測。我國大科學工程裝置“東方超環(huán)”（Experimental Advanced Superconductive Tokamak，EAST）在最新一輪的內(nèi)部部件升級改造中，將上偏濾器的摻雜石墨瓦升級為主動水冷卻鎢／銅部件。其中，靠近打擊點區(qū)域的靶板采用了ITER“穿管型”部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。所采用的熱沉管材為國內(nèi)生產(chǎn)，成分和檢測都符合ITER 材料文件。然而，利用目視檢測和渦流檢測方法檢測合格的CuCrZr穿管型部件，在隨后的管內(nèi)水浸超聲檢測時發(fā)現(xiàn)部分部件在擴散連接界面附近存在超標的貫穿型帶狀缺陷。金相分析表明：該缺陷為銅管近外表面的折疊缺陷，實質(zhì)為氧化銅夾層。這種缺陷在熱等靜壓制造過程中不會愈合，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，嚴重時將導致鎢的燒蝕、熔化甚至揮發(fā)，給聚變裝置安全運行帶來風險［4－5］。但是，適合部件界面檢測的管內(nèi)水浸超聲方法并不適宜原料管中近外表面缺陷的檢測，這是因為缺陷波和外表面底波疊加在一起難以分辨。因此需要在渦流檢測的基礎(chǔ)上開發(fā)出其他有效的無損檢測手段，實現(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CuCrZr管材及偏濾器部件結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的無損檢測方法，包括渦流檢測和管內(nèi)水浸超聲檢測，隨后對發(fā)現(xiàn)的ITER 級CuCrZr管內(nèi)折疊缺陷進行檢測分析并探討新的檢測手段，同時進行了仿真模擬。

1 檢測對象和方法

1.1 EAST鎢銅偏濾器結(jié)構(gòu)

參照ITER 偏濾器的設(shè)計，等離子體物理研究所設(shè)計的EAST 偏濾器部件及裝配結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中打擊點區(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

EAST 銅合金管的檢測參照（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，之后進行100%渦流檢測，并檢出大于10%的壁厚減薄。參照標準GB／T 5248－2008《銅及銅合金無縫管渦流檢測方法》，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作為對比試樣。

實際檢測時，為了保證檢測到整個深度方向上的缺陷并對外表面及近外表面的缺陷保持高靈敏度，使用兩個不同探頭分別采用外穿過式和放置式進行檢測。外穿過式探頭內(nèi)置φ15.6 mm 自比差分式線圈，系統(tǒng)校準及參數(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、懸崖臺階及壁厚減薄等缺陷；放置式點探頭內(nèi)置φ3mm 絕對線圈，依據(jù)試樣B上的人工缺陷進行系統(tǒng)校準及參數(shù)設(shè)置后，成功檢出超標的環(huán)軸向劃痕、裂紋等缺陷。

1.3 鎢銅穿管部件的無損檢測

EAST 鎢銅穿管部件具有外部鎢塊不連續(xù)、管徑較小、包含兩層弧形擴散焊接界面和整體結(jié)構(gòu)沿軸向彎曲等特征。為了實現(xiàn)對兩個擴散焊接界面焊接質(zhì)量的無損檢測，在生產(chǎn)前開發(fā)了管內(nèi)單探頭旋轉(zhuǎn)－步進水浸超聲檢測法。檢測系統(tǒng)采用特制的側(cè)向發(fā)射聚焦單探頭，探頭直徑6.5mm，長8mm，激勵頻率15MHz，探頭側(cè)面安裝有直徑為3.2mm 的圓形陶瓷壓電晶片。考慮部件具體情況，實際檢測時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現(xiàn)探頭的軸向提拉與旋轉(zhuǎn)和部件彎曲段的檢測。檢測時探頭在銅管內(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，到達上端后探頭旋轉(zhuǎn)5°，繼而由步進機構(gòu)推送至下端，開始下一個掃查，完成360°掃查之后進行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對比試樣和Cu／CuCrZr界面超聲檢測圖譜，界面上φ1mm 和φ2mm 平底孔缺陷均可被檢出。

圖2 Monoblock人工缺陷標樣和Cu／CuCrZr界面超聲掃描圖譜

2 折疊缺陷的檢測與仿真

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。圖中橫坐標表示圓周360°，縱坐標表示W(wǎng)／Cu Monoblock縱向長度，垂直于縱坐標的橫線為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°，長度貫穿整個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）對應(yīng)的超聲A 掃描圖中的時域閘門設(shè)置時需要采集完整的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。從超聲圖譜時域角度分析，推測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 長度的薄層狀缺陷。在熱等靜壓擴散焊之前，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穿管部件檢測的超聲頻率是15 MHz，垂直分辨率為毫米量級。然而，缺陷與Cu／CuCrZr界面之間距離僅有100μm，二者無法區(qū)分，兩個反射波疊加在一起形成一個回波波峰。

圖4 Cu／CuCrZr連接界面脫粘缺陷及其對應(yīng)的超聲檢測圖

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小顆粒，利用SEM 上的能量色散X 射線譜儀（EDS）對缺陷內(nèi)顆粒進行成分分析，顯示氧含量達21%，表明缺陷實質(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)工藝的主要工序為：真空感應(yīng)熔煉→鑄造→鑄錠修磨→850 ℃熱擠→修磨→冷拔→475 ℃×3h時效處理。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，形成管材近表面的貫穿型氧化銅折疊缺陷［8］。

在HIP之前，渦流檢測未檢出大面積折疊缺陷。原因在于渦流對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，銅管中的渦流不會被阻斷，阻抗未發(fā)生變化，因此渦流法無法檢測出此類缺陷。針對折疊缺陷，常規(guī)的檢測方法是超聲檢測，但是由于此折疊在銅管近表面，且銅管為薄壁小徑管，超聲波檢測此類缺陷時無法區(qū)分銅管外表面反射波和缺陷波，而監(jiān)測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算材料的衰減系數(shù)，以此作為評判材料晶粒的依據(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行檢測［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，導致底面回波幅值減小，同時銅管厚度、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。

底波衰減檢測采用水浸超聲檢測系統(tǒng)，將銅管置于水槽中兩根等徑的傳動軸之間，傳動軸同向轉(zhuǎn)動，帶動銅管勻速轉(zhuǎn)動。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動。調(diào)高增益以確保足夠的檢測靈敏度，采集底波并用色譜標識波幅高低完成C掃描成像。

三個不同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，對照A 掃波形圖可得整個樣品的底波幅值約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。沿著圖中黑色實線進行線切，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。測量折疊沿圓周延伸的長度尺寸：折疊3＃開裂部分沿圓周長約0.5 mm（4°），未開裂部分約2.5mm（19°）；折疊4＃開裂部分長約1.1mm（8°），未開裂部分約6.6 mm（50°）。實際缺陷尺寸、超聲C掃圖中測量的尺寸及對應(yīng)的底波衰減幅度數(shù)值如表1所示，可見此種檢測條件下超聲底波檢測C 掃圖中顯示的缺陷尺寸與實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應(yīng)關(guān)系。故測量超聲底波衰減的方式對于CuO 折疊缺陷的檢測可靠有效。

圖6 三個CuCrZr管樣品的超聲掃描圖譜

表1 缺陷尺寸與衰減幅值對應(yīng)表

圖7 圖6（b），（c）對應(yīng)的金相圖

2.3 超聲仿真

檢測時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)，對比驗證檢測結(jié)果并確定檢測靈敏度［13］。采用法國原子能委員會開發(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，底波幅值為100%。探頭及入射超聲波參數(shù)設(shè)置與實際相同情況下，進行超聲波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%，因此實際衰減幅值為27.2%。對比圖6（b）中自然缺陷2?？芍獙嶋H衰減幅值與仿真結(jié)果相近，進一步驗證了檢測結(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

實際檢測的最小可檢尺寸，是通過逐步縮小角度的仿真計算而得到的。依次對周向20°、7.5°、4°和1°大小的缺陷造成的底波衰減幅值進行仿真，得折疊周向角度4°時底波衰減幅度為16%，在實際檢測時可以較好的辨別。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°，即周向長度為0.5mm，表明底波衰減檢測方式對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時發(fā)現(xiàn)ITER級CuCrZr管材近表面折疊缺陷，該缺陷會阻礙熱沉結(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)渦流檢測無法實現(xiàn)對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法且成功檢測出此類缺陷。同時，通過超聲仿真驗證一定角度的折疊缺陷的底波衰減，模擬結(jié)果與實際檢測較為一致。在EAST 鎢銅偏濾器部件的制造過程中，采用渦流檢測并結(jié)合超聲波衰減檢測的方式，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方法提供了借鑒。

［1］BARABASH V R，KALININ G M，F(xiàn)ABRITSIEV S A，et al.Specification of CuCrZr alloy property after various thermo－mechanical treatments and design allowables including neutron irradiation effects［J］.Journal of Nuclear Materials，2011，417：904－907.

［2］DUROCHER A，ESCOURBIAC F，GROSMAN A，et al.Advanced qualification methodology for actively cooled plasma facing components［J］.Nucl Fusion，2007，47：1682－1689.

［3］HIRAI T，ESCOURBIAC F，CARPENTIERCHOUCHANA S，et al.ITER full tungsten divertor qualification program and progress［J］.Phys Scr，2014，159：20－25.

［4］LINKE J，ESCOURBIAC F，MAZUL I V，et al.High heat flux testing of plasma facing materials and components－status and perspectives for ITER related activities［J］.Nucl Mater，2007，367－370：1422－1431.

［5］祁攀，李強，易子安，等.無損檢測在偏濾器質(zhì)量控制上的應(yīng)用［J］.無損檢測，2013，35（1）：13－16.

［6］LUO G N，LI Q，CHEN J M，et al.Overview of R＆D on plasma－facing materials and components in China［J］.Fusion Sci Technol，2012，9：25－26.

［7］LI Qiang，QIN Si－gui，WANG Jing，et al.Manufacturing and testing of W／Cu mono－block small scale mock－up for EAST by HIP and HRP technologies［J］.Fusion Engineering and Design，2013，88：1808－1812.

［8］秦永強.高強度高導電銅－鉻－鋯合金的設(shè)計、制備及性能研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學，2013.

［9］HALDIPUR P，MARGETAN F J，THOMPSON R B.Correlation between local ultrasonic properties and grain size within jet－engine nickel alloy billets［J］.Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation，2003，22：1355－1362.

［10］STONE D E W，CLARKE B.Ultrasonic attenuation as a measure of void content in carbon－fibre reinforced plastics［J］.Non－Destructive Testing，1975，3：137－145.

［11］EVANS A G，TITTMANN B R，AHLBERG L.Ultrasonic attenuation in ceramics［J］.Journal of Applied Physics，1978，49：2669－2671.

［12］董瑞琴，李澤，何喜.發(fā)動機盤、環(huán)件超聲波C－掃描檢測中的底波監(jiān)控方法［J］.無損檢測，2014，36（3）：55－57.

［13］單洪彬，李明，陳懷東，等.國外檢測仿真軟件的檢測進展［J］.無損檢測，2008，30（7）：446－450.

［14］AMOS J，GRAY J，LHEMERY A，et al.Future applications of NDE simulators［J］.Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation，2004，23：1620－1632.