ITER 重力支撐高溫合金螺栓的制造工藝及質(zhì)量控制

許 丹，李鵬遠(yuǎn)，張 博

（1.核工業(yè)西南物理研究院，四川 成都 610000；2.中國國際核聚變能源計劃執(zhí)行中心，北京 100081）

1 引言

如圖1 所示，國際熱核聚變實(shí)驗堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）是由中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七方30 多個國家共同合作建造的一個大型托卡馬克聚變反應(yīng)裝置，代表了該領(lǐng)域最先進(jìn)的科學(xué)和工程技術(shù)。其目標(biāo)是通過建造反應(yīng)堆級核聚變裝置，驗證和平利用核聚變發(fā)電的科學(xué)和工程技術(shù)可行性[1]。如圖1 所示，超導(dǎo)磁體重力支撐（Gravity Supports,以下簡稱GS）使用12 根M33×3 和10 根M42×3 的718 合金螺栓分別在480kN 和720kN 的預(yù)緊力下將韌性板、墊板、上壓塊和下夾塊裝配成子裝配體。使用M85×4 螺栓在3200kN 預(yù)緊力下將重力支撐子裝配體（GS）固定在杜瓦環(huán)底座上[2]。

圖1 ITER 裝置及重力支撐（GS）示意圖

18 個由螺栓組裝而成的ITER GS 支撐承受著包括磁體系統(tǒng)上萬噸的凈重、由室溫冷卻到工作溫度時磁體收縮產(chǎn)生的熱應(yīng)力，等離子體正常放電時的電磁力，等離子體垂直不穩(wěn)定及破裂等非正常放電時的交變電磁力等。極端情況下，單顆718 合金的服役工況為77K 12 萬次、4Hz、3200kN±400kN 的循環(huán)往復(fù)載荷[3]。ITER 裝置一旦運(yùn)行，在20 年的運(yùn)行期內(nèi)難以進(jìn)行維護(hù)或更換。為了保證ITER 裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行?；诖罅康墓に囌J(rèn)證、生產(chǎn)實(shí)踐及檢測實(shí)踐，本文總結(jié)提出了一套ITER 重力支撐718 合金螺栓的質(zhì)量控制流程，為其他行業(yè)螺栓部件的質(zhì)量控制提供參考。

2 718 合金材料及螺栓的生產(chǎn)工藝介紹

2.1 718 合金介紹

718 高溫合金55%Ni-20%Cr-3%Mo-5%Nb 是以面心立方奧氏體γ 為基體，體心立方γ″（Ni3Nb）和面心立方γ′（Ni3（Al,Ti））沉淀強(qiáng)化的高溫合金。718 合金在-269℃～650℃之間具良好的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和塑性，同時具有良好的抗腐蝕、抗輻照、熱加工及焊接性能。典型的718 合金的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1 及表2 所示[4，5]。

表1 718 合金的化學(xué)成分[4]

表2 718 合金的力學(xué)性能[4，5]

2.2 718 合金的生產(chǎn)工藝流程

鎳基718 合金螺栓的生產(chǎn)工藝流程如圖2 所示，分為材料冶煉—均勻化處理—化學(xué)成分檢測—鍛棒鍛造—鍛棒機(jī)加—固溶處理—沉淀強(qiáng)化熱處理—理化檢測—棒材超聲波探傷—機(jī)械加工—螺紋滾壓—成品無損檢測—清洗包裝。在批量生產(chǎn)前應(yīng)對圖2 中標(biāo)注★的制造工藝進(jìn)行評定，確保在最不利條件下的產(chǎn)品能滿足使用ITER 極端工況需求。

圖2 718 合金的生產(chǎn)工藝流程

3 聚變堆718 合金螺栓的質(zhì)量控制

3.1 718合金螺栓冶煉過程的質(zhì)量控制

使用“ 真空感應(yīng)熔煉+保護(hù)氣氛電渣重熔+真空自耗”三聯(lián)冶煉工藝冶煉。在冶煉時控制P、S、O、N、H、Co 等元素的含量，保證Nb、Ta 等沉淀強(qiáng)化元素的均勻性。冶煉后的真空自耗鋼錠應(yīng)該進(jìn)行均勻化處理，消除高溫合金鋼錠中的偏析及白斑、黑斑、LAVES 相等缺陷。

3.2 718 合金螺栓鍛造及熱處理過程的質(zhì)量控制

每個合金錠水口切除量不低于合金錠總長的3%～5%、冒口切除量不低于合金錠總長的8%～10%，以避免鍛棒內(nèi)殘留縮孔和偏析等冶金缺陷。鍛棒的總鍛造比不小于5，在鍛造過程中鍛棒溫度不得低于終鍛溫度。鍛造設(shè)備的測溫精度需控制在±2℃以內(nèi)。鍛造時間，鍛造溫度等工藝參數(shù)不得超出工藝評定的范圍。

3.3 原型件保證載荷測試及77K 疲勞測試

為確保718 合金螺栓能夠服役于ITER 極端工況下，每爐批次任選1 根718 合金螺栓原型件進(jìn)行77K 溫度下4Hz、3200kN±400kN,12 萬次的疲勞測試及3200kN 的保證載荷測試。對于保證載荷測試，不允許出現(xiàn)（0.25×螺栓總長）的塑性變形；對于疲勞測試，不允許其在12 萬次內(nèi)發(fā)生失效。

3.4 無損檢測

對所有718 合金進(jìn)行100%的尺寸—目視—滲透—超聲檢查。對于尺寸檢查，采用螺紋綜合掃描儀器檢測螺紋牙型角、螺距、牙底半徑和牙頂半徑等尺寸。采用目視檢查避免螺紋表面出現(xiàn)裂紋、缺陷和局部塑性變形。采用滲透檢測檢查整個螺栓的外表面，不允許出現(xiàn)任何顯示；采用水浸式UT 檢驗檢查整個螺栓的缺陷，不允許出現(xiàn)超過1.5mm 的顯示。

3.5 抽樣破壞性檢測

每爐批次隨機(jī)抽取一根螺栓進(jìn)行破壞性取樣，進(jìn)行表3 所示的化學(xué)成分，微觀組織，金相，4K 及常溫下的力學(xué)質(zhì)量控制。參照具體工況及判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合格判定。

表3 718 合金螺栓的破壞性檢測測試

3.6 合格性判定

產(chǎn)品合格的前提是本標(biāo)準(zhǔn)的所有檢測均合格當(dāng)出現(xiàn)不合格項次時作如下處理：如100%抽查率的非破壞性試驗不符合要求，則該產(chǎn)品做報廢處理；如每爐批次抽查的破壞性試驗不滿足要求，應(yīng)自同一產(chǎn)品及同批次隨機(jī)一根產(chǎn)品上再次按標(biāo)準(zhǔn)取雙倍樣進(jìn)行復(fù)測，如果這些附加試樣中的任何一個試樣不符合這些要求，則該爐批次產(chǎn)品作報廢處理。

4 結(jié)論

本文介紹了ITER 重力支撐718 合金螺栓的質(zhì)量控制要點(diǎn)。通過控制原材料冶煉、鍛造、熱處理、滾壓螺紋等關(guān)鍵工序結(jié)合螺栓產(chǎn)品的尺寸檢查、無損檢測、破壞性檢測、原型件力學(xué)性能檢查等保證螺栓在常溫及極低溫下的性能。截至目前，ITER 重力支撐的400 余顆718 合金螺栓已完成所有工藝認(rèn)證、生產(chǎn)及并已交付法國，順利通過ITER 國際組織的驗收測試，證明了該套生產(chǎn)工藝及質(zhì)量控制體系滿足工程運(yùn)用的要求。